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      未來當(dāng)量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，很可能讓我們的信息安全陷入風(fēng)險(xiǎn)，而新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)的量子芯片是否能提供解決之道？
量子技術(shù)競(jìng)賽日益引發(fā)關(guān)注。Google和IBM開始發(fā)展量子計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)將以我們難以想象的速度徹底顛覆運(yùn)算。量子技術(shù)還有一個(gè)令人引頸期盼的優(yōu)勢(shì)就是「密碼學(xué)」(cryptography)。
隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和下一代5G的快速普及，創(chuàng)造安全的通道至關(guān)重要。相形之下，攜帶信息的量子信道存在安全協(xié)議，并內(nèi)建于加密的數(shù)據(jù)中。每個(gè)通道之間彼此各不相同，從而降低了在傳輸過程中被攔截的風(fēng)險(xiǎn)。
為了保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性和完整性，目前最安全、使用最廣泛的方法是以對(duì)稱密碼學(xué)為基礎(chǔ)，而一種更可靠的安全性則是提供一種數(shù)學(xué)上牢不可破的密碼學(xué)形式，稱為「一次性密碼」(one-time pad；OTP)，它采用一種與加密數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相同的隨機(jī)密鑰來加密數(shù)據(jù)。

      有了量子密碼，當(dāng)今所有的密碼技術(shù)都將相形失色。如今，為了解密機(jī)密的加密信息，必須具有相對(duì)的私鑰。而進(jìn)行所謂的「暴力攻擊法」(brute force attack，即嘗試使用字母、特殊字符和數(shù)字的所有可能組合)將無法譯碼RSA密鑰，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)都將花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間解密，而使用量子技術(shù)，相同的操作只需花費(fèi)幾秒鐘。
新加坡南洋理工大學(xué)(NTU Singapore)的研究人員開發(fā)出一種量子芯片，其尺寸比當(dāng)前的量子配置更小1,000倍。在NTU Singapore電氣與電子工程學(xué)院教授Liu Ai Qun和副教授Kwek Leong Chuan的帶領(lǐng)下，該研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果發(fā)表在近期的《自然光子學(xué)》(Nature Photonics)上。
      其結(jié)果為許多金融系統(tǒng)建置量子密碼學(xué)方法提供了新機(jī)會(huì)。該新芯片將以各種通訊方法提高安全應(yīng)用，包括從ATM提領(lǐng)現(xiàn)金到在線購(gòu)買商品等。當(dāng)今的這些技術(shù)并不是十分安全，而且其通訊還可能會(huì)被攔截。該芯片寬僅3至4mm，采用量子通訊算法以及量子密鑰分配(QKD)，因而能提供比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)更高的安全性。
      QKD采用量子屬性交換諸如加密密鑰之類的機(jī)密信息，然后再將其用于加密經(jīng)由不安全信道傳輸?shù)挠嵪ⅰKD的安全性基礎(chǔ)在于自然和物理學(xué)的基本定律，有助于提高運(yùn)算能力、新的攻擊算法或量子計(jì)算機(jī)。
以量子密碼學(xué)的情況來看，密鑰(針對(duì)訊息進(jìn)行加密并因而再度具有可讀性的介質(zhì))被編碼為一系列光子，在必須共享訊息的雙方之間傳遞(例如透過光纖)。根據(jù)海森堡不確定性原理(Heisenberg uncertainty principle；即不可能同時(shí)知道量子物體的兩個(gè)特征)，任何對(duì)獲得密鑰感興趣的人都無法在不干擾這些(極化)光子的情況下達(dá)到目的。事實(shí)上，任何干擾通訊的人都會(huì)改變其特征，留下使其提醒注意駭入的痕跡。
      Liu說：「在當(dāng)今的世界中，網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要，因?yàn)槲覀兊脑S多數(shù)據(jù)都是以數(shù)字方式儲(chǔ)存以及進(jìn)行通訊。幾乎所有的數(shù)字平臺(tái)和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù)都要求用戶輸入密碼和生物辨識(shí)數(shù)據(jù)，只要存在這種情況，就可能會(huì)有被竊聽或破解的風(fēng)險(xiǎn)。量子技術(shù)則消除了這種疑慮，因?yàn)槊艽a和信息都整合在發(fā)送中的訊息，從而形成量子密鑰。」

微小的3mm量子通訊芯片
      量子計(jì)算為人工智能(AI)、醫(yī)療診斷和藥物治療等領(lǐng)域帶來的新發(fā)現(xiàn)讓人難以想象。但量子計(jì)算機(jī)只是一種工具，有助于讓實(shí)現(xiàn)特定結(jié)果所需的操作次數(shù)大幅減少。創(chuàng)新并不在于提高每次操作的速度，而在于減少達(dá)到結(jié)果所需的操作次數(shù)。
      然而，信息的安全性會(huì)因?yàn)槲磥淼牧孔佑?jì)算機(jī)崛起而陷于風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榕鋫浯罅窟\(yùn)算資源的量子計(jì)算機(jī)可能破解現(xiàn)有的加密技術(shù)。因此，量子密碼學(xué)和后量子密碼學(xué)將變得越來越重要。