量子通信技術(shù)是當前量子信息技術(shù)實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的先鋒。在信息安全領(lǐng)域，量子通信的代表性應用——量子密鑰分發(fā)技術(shù)一直在進(jìn)行著(zhù)產(chǎn)業(yè)化的探索，并初具成效。而隨著(zhù)這一技術(shù)逐步走向市場(chǎng)、走入工作和生活，大家對認識和理解它的興趣也越發(fā)濃厚。作為《量子安全技術(shù)白皮書(shū)（2020）》的延續和拓展，中國信息協(xié)會(huì )量子信息分會(huì )發(fā)布最新行業(yè)技術(shù)報告——《量子密鑰分發(fā)的技術(shù)挑戰及應對分析》（2021年1月版）。
目錄
一、背景二、對量子安全的立場(chǎng)三、 QKD的定位并不是解決所有的信息安全問(wèn)題四、 QKD網(wǎng)絡(luò )是量子與傳統信息系統組成的混合網(wǎng)絡(luò )五、 QKD的發(fā)展需要解決面臨的一系列技術(shù)挑戰六、 QKD與PQC不是零和博弈七、結語(yǔ)附錄1 量子密鑰分發(fā)技術(shù)標準化情況附錄2 針對QKD實(shí)際安全性的攻擊方案和防御措施參考文獻
背景
進(jìn)入二十一世紀以來(lái)，以量子物理與信息科學(xué)交叉融合形成的量子信息科技掀起了第二次量子科技革命的浪潮，全球主要國家和地區紛紛將其列為戰略性的科技發(fā)展方向。量子信息技術(shù)涵蓋了信息感知、傳輸和處理各個(gè)環(huán)節上的量子技術(shù)，形成了量子精密測量、量子通信和量子計算等主要發(fā)展方向。目前，以量子密鑰分發(fā)及其在信息安全領(lǐng)域的應用為主要形式，量子通信首先進(jìn)入規?；a(chǎn)業(yè)階段。量子計算以其顛覆式的算力前景，更是成為全球主要科技創(chuàng )新力量的重點(diǎn)投入方向。相比量子通信和量子計算的“異軍突起”，量子精密測量由于其涉及領(lǐng)域廣泛，并與傳統技術(shù)在應用方式和商業(yè)模式上可以平滑過(guò)渡，也正在持續地推動(dòng)著(zhù)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。如2018年，第26屆國際計量大會(huì )確定新的國際單位制體系在2019年5月20日正式生效，七大基本物理量（長(cháng)度、質(zhì)量、時(shí)間、電流強度、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量、光強度）將由物理常數（普朗克常數、玻爾茲曼常數、基本電荷、阿伏伽德羅常數以及光速）和時(shí)間頻率基準通過(guò)量子技術(shù)進(jìn)行標定，意味著(zhù)國際單位標準全面進(jìn)入量子時(shí)代。
作為量子通信技術(shù)最典型的應用之一，量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)從誕生起，其發(fā)展過(guò)程當中就伴隨著(zhù)一些質(zhì)疑的聲音。這些質(zhì)疑部分源于作為交叉學(xué)科的新生事物，人們從認識到接受需要一個(gè)過(guò)程；部分源于跨領(lǐng)域交流的缺乏，特別是量子科學(xué)、密碼學(xué)和信息通信領(lǐng)域間的交互；還有一部分源于信息安全領(lǐng)域本來(lái)具有的攻防相長(cháng)的特性。一個(gè)行業(yè)中新生技術(shù)出現時(shí)，受到質(zhì)疑是很正常的，這些都應成為推動(dòng)新技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。
從2016年以來(lái)，英國國家網(wǎng)絡(luò )安全中心(NCSC)、法國國家網(wǎng)絡(luò )安全局（ANSSI)和美國國家安全局（NSA）等信息安全機構分別對量子計算帶來(lái)的安全挑戰以及QKD等技術(shù)發(fā)布了各自的觀(guān)點(diǎn)和立場(chǎng)，特別針對QKD指出了技術(shù)上的局限性。這些局限性及其帶來(lái)的實(shí)用技術(shù)挑戰在QKD領(lǐng)域是明確和熟知的。實(shí)際上以應對和解決這些挑戰為目標，近年來(lái)QKD技術(shù)實(shí)現了不斷的突破，取得了顯著(zhù)的成果。與此同時(shí)，量子物理、密碼學(xué)、信息通信等多領(lǐng)域間的協(xié)作也在逐步加強，特別是通過(guò)各類(lèi)國際標準化組織平臺，量子密鑰分發(fā)的標準化在國際合作、領(lǐng)域間合作的基礎上也在快速取得進(jìn)展。相關(guān)組織和機構也在與時(shí)俱進(jìn)地改進(jìn)其觀(guān)點(diǎn)。例如英國的NCSC早在2016年就發(fā)布過(guò)其針對QKD的技術(shù)觀(guān)點(diǎn)白皮書(shū)[1]，列舉了多項技術(shù)局限并表明在這些局限性得到解決之前不建議使用。在2020年3月，NCSC更新了他們對QKD的白皮書(shū)[2]，而這次的觀(guān)點(diǎn)相較4年前有了明顯的改變。通過(guò)了解近年來(lái)QKD的進(jìn)展，其同意放寬對QKD的使用限制。歐洲量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)界則迅速給予了技術(shù)上的積極回應[3]，雙方的公開(kāi)討論和表態(tài)對量子技術(shù)和信息安全領(lǐng)域的發(fā)展都起到了很好的促進(jìn)作用。而法國ANSSI[4]和美國NSA[5]在2020年發(fā)表的觀(guān)點(diǎn)還基本上停留在NCSC在2016年時(shí)的情況。
我們還要指出，這幾家機構的觀(guān)點(diǎn)不應看做是其所在國家的最終立場(chǎng)，實(shí)際上其所在國家和地區都正在積極地實(shí)施各自的量子戰略計劃。如歐盟于2016年啟動(dòng)了10億歐元的歐洲量子技術(shù)旗艦計劃。在其2020年3月發(fā)布的戰略研究報告[6]中，總結了階段性進(jìn)展并提出短期目標（3年愿景）和中長(cháng)期目標（6～10年愿景），其中都涉及QKD的技術(shù)攻關(guān)、基礎設施部署和商業(yè)化探索等。2019年，比利時(shí)，德國，意大利，荷蘭等歐洲10國簽署了聯(lián)合聲明，推動(dòng)建設歐洲安全的量子網(wǎng)絡(luò )基礎設施。美國2018年通過(guò)了《國家量子計劃法案》，2020年2月發(fā)布《量子網(wǎng)絡(luò )戰略構想》[7]，并在2020年明確2021-2025年間持續增加相關(guān)預算，美國的相關(guān)機構和組織在QKD基礎設施和商用推廣方面也在積極布局。
中國信息協(xié)會(huì )量子信息分會(huì )對QKD技術(shù)所面臨的挑戰的相關(guān)分析已經(jīng)在《量子安全技術(shù)白皮書(shū)（2020）》[8]中進(jìn)行了全面的闡述，在本報告中，我們進(jìn)一步提煉，并重點(diǎn)針對NSA近期發(fā)布的對QKD的觀(guān)點(diǎn)[5]進(jìn)行梳理、分析，給出對應的措施，最后將針對QKD與PQC的關(guān)系進(jìn)一步闡述。
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[1]. Quantum key distribution, NCSC whitepaper, 2016.10.
[2]. Quantum security technologies, NCSC whitepaper, 2020.03. https://www.ncsc.gov.uk/whitepaper/quantum-security-technologies
[3]. ADVA, BT, ID Quantique, et al., Community Response to the NCSC 2020Quantum Security Technologies White Paper, Issue 1.1, 2020.05.
[4]. Should Quantum Key Distribution be Used for Secure Communications?ANSSI – Technical Position Paper: QKD, 2020.05. https://www.ssi.gouv.fr/en/publication/should-quantum-key-distribution-be-used-for-secure-communications/
[5]. Quantum Key Distribution (QKD) and QuantumCryptography (QC), https://www.nsa.gov/what-we-do/cybersecurity/quantum-key-distribution-qkd-and-quantum-cryptography-qc/
[6]. https://qt.eu//app/uploads/2020/04/Strategic_Research-_Agenda_d_FINAL.pdf[7]. A STRATEGIC VISION FOR AMERICA’S QUANTUMNETWORKS. THE WHITE HOUSE NATIONAL QUANTUM COORDINATION OFFICE, 2020.2.https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2017/12/A-Strategic-Vision-for-Americas-Quantum-Networks-Feb-2020.pdf
[8]. 量子安全技術(shù)白皮書(shū)（2020），中國信息協(xié)會(huì )量子信息分會(huì )，2020.12.