最近有這樣一個(gè)新聞：科大潘建偉院士、張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與云南大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位合作，實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)（QKD）和后量子算法（PQC）的融合應(yīng)用（參考圖一）。這是什么意思？我來向大家解釋一下。這個(gè)成果至少是三層的非平凡，而普通人了解第一層都難。
首先，如果你經(jīng)常看我的節(jié)目，你很可能知道量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，簡稱QKD）是一種保密通信的方法。順便說一句，“鑰匙”的“鑰”字是個(gè)多音字，它在密碼學(xué)的“密鑰”這個(gè)詞里念yuè，你百度一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)（圖二）。
量子密鑰分發(fā)的好處在于，它不可能被數(shù)學(xué)破解。傳統(tǒng)的密碼有可能被數(shù)學(xué)破解，因?yàn)樗鼈儽Ｃ艿幕A(chǔ)是數(shù)學(xué)難題。而量子密鑰分發(fā)保密的基礎(chǔ)在于量子力學(xué)，只要量子力學(xué)的物理原理不被推翻，它就不可能被數(shù)學(xué)破解，即使敵人有無限的計(jì)算能力都不行。這是第一層的非平凡。如果達(dá)到這一層，你的知識水平就超過了90%的人（圖三，中科院跨越 4600 公里成功分發(fā)量子密鑰）。
然后，任何通信都有個(gè)前提，就是身份認(rèn)證。也就是說，你得確認(rèn)跟你通話的人真的是你認(rèn)為的那個(gè)人，而不是冒充的。大家打電話的時(shí)候，每次先說一聲“喂”，就是這個(gè)目的。
量子密鑰分發(fā)能夠保證的是，如果對方的身份是正確的，那么你的通信絕對安全，但它本身并不做身份認(rèn)證。那么怎么確認(rèn)對方的身份呢？以前的辦法叫做預(yù)置密鑰，也就是說雙方先存下來一段密鑰用作身份認(rèn)證，聯(lián)系上之后用量子密鑰分發(fā)產(chǎn)生新的密鑰。這些新的密鑰大部分用于通信，少部分再存下來用于下一次身份認(rèn)證。
這個(gè)方法在邏輯上很嚴(yán)密，但前提是要在通信之前至少聯(lián)系一次。那么問題來了，如果是兩個(gè)素昧平生的人，從來沒有聯(lián)系過，沒有預(yù)存密鑰，那該怎么辦呢？也就是說，最初的信任怎么建立起來？
其實(shí)，傳統(tǒng)的密碼學(xué)就有身份認(rèn)證的方法。在公鑰密碼體系中，用公鑰加密的只能用私鑰解密，用私鑰加密的只能用公鑰解密。因此，如果一個(gè)人用自己的私鑰加密一段信息發(fā)給你，你用他的公鑰發(fā)現(xiàn)確實(shí)能解密，那么你就可以確認(rèn)他是他。這叫做數(shù)字簽名。
這個(gè)方法很巧妙，但問題在于，它整個(gè)的前提是密碼體系沒有被破解。而事實(shí)上，我們已經(jīng)知道許多密碼體系是會(huì)被量子計(jì)算機(jī)破解的。例如最著名的公鑰密碼體系之一RSA，就會(huì)被1994年提出的Shor量子算法破解（圖四，RSA的三位創(chuàng)始人 ）。只是大規(guī)模實(shí)現(xiàn)這個(gè)算法的量子計(jì)算機(jī)還沒造出來，這正是學(xué)術(shù)界努力的目標(biāo)。這是第二層的非平凡。如果你達(dá)到這一層，你的知識水平就超過了99%的人。
然后，為了對抗量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，密碼學(xué)界提出了兩條思路。一個(gè)就是量子密鑰分發(fā)，它一勞永逸地封住了所有計(jì)算機(jī)的攻擊，包括量子計(jì)算機(jī)。但它仍然有需要預(yù)置密鑰的問題。另一個(gè)叫做后量子密碼（post-quantum cryptography，簡稱PQC）或者抗量子密碼（quantum resistant cryptography），意思是能抵抗量子計(jì)算機(jī)的密碼。它們基于一些更難的數(shù)學(xué)問題，對這些數(shù)學(xué)問題現(xiàn)在已知的量子算法都不能破解。至于將來能不能破解？那沒有人知道，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀皇腔跀?shù)學(xué)的，原理上就可能被數(shù)學(xué)破解。不但有可能被量子計(jì)算機(jī)破解，甚至有可能被經(jīng)典計(jì)算機(jī)破解，這些可能性一直都是存在的?？傊@對矛與盾會(huì)不停地升級下去。
了解了這些背景，你終于可以明白潘建偉、張強(qiáng)等人做的是什么了（圖五，潘建偉教授）。他們在身份認(rèn)證環(huán)節(jié)采用了后量子密碼，這樣通信雙方就不需要事先聯(lián)系一次了。
真正有趣的問題是：如果這個(gè)后量子密碼被破解了怎么辦？回答是：只要敵人不是立刻破解，而是花了一段時(shí)間，那么在這段時(shí)間里通信雙方已經(jīng)做過量子密鑰分發(fā)了。他們已經(jīng)產(chǎn)生了新的密鑰，存起了一部分用作下一次的身份認(rèn)證。所以如果敵人不能抓住第一次這個(gè)稍縱即逝的機(jī)會(huì)，那么以后就沒機(jī)會(huì)了。這樣，我們即使不能完全排除風(fēng)險(xiǎn)，但至少把它壓縮到了非常低。
你也許會(huì)問，何不從頭到尾都用PQC呢？先用它來身份認(rèn)證，再用它來加密解密，不是更省勁嗎？回答是：這樣不能保證長期的安全。無論敵人花了多長的時(shí)間破解，只要他破解出來，你的信息就泄漏了。而QKD的好處在于，敵人永遠(yuǎn)不可能用數(shù)學(xué)破解你的信息，因?yàn)楦緵]有數(shù)學(xué)難題讓他去破解。
現(xiàn)在，你明白QKD與PQC聯(lián)用的價(jià)值了吧？QKD保證長期的安全性，PQC把身份認(rèn)證擴(kuò)大到?jīng)]有預(yù)置密鑰的通信方。這是第三層的非平凡。如果你達(dá)到這一層，你的知識水平就超過了99.9%的人。
如果諸位想了解后量子密碼，請?jiān)陲L(fēng)云之聲搜這個(gè)關(guān)鍵詞，我有篇文章解釋過這個(gè)問題。
