量子保密通信與金融業(yè)信息傳輸安全獲獎科研報告

量子保密通信與金融業(yè)信息傳輸安全獲獎科研報告【摘

要】量子通信技術(shù)是一種利用量子糾纏效應(yīng)進行消息傳遞的新型保密通信技術(shù)，與傳統(tǒng)保密通信技術(shù)相比，量子通信技術(shù)在信息安全方面優(yōu)勢明顯，在金融領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。然而，目前來看，量子保密通信技術(shù)短期內(nèi)還無法實現(xiàn)在金融業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用。下一步量子保密通信技術(shù)研發(fā)和推廣運用需要把握以下幾個關(guān)鍵點：一是推進量子保密通信“穩(wěn)定、高速、遠(yuǎn)距離”是規(guī)模化應(yīng)用的前提;二是加快量子中繼和存儲技術(shù)的發(fā)展是實用化應(yīng)用的關(guān)鍵;三是建立規(guī)范、統(tǒng)一的量子通信標(biāo)準(zhǔn)是與金融業(yè)融合發(fā)展的基礎(chǔ)。為此，本文提出如下建議：一是加大科研投入，攻克量子保密通信核心技術(shù)難關(guān)，實現(xiàn)量子中繼使用和遠(yuǎn)程傳輸;二是建立政、銀、校、企協(xié)同合作機制，共同推進量子保密通信發(fā)展，特別是要重視貨幣當(dāng)局、金融監(jiān)管當(dāng)局的參與，防范新技術(shù)應(yīng)用中的操作風(fēng)險;三是加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建立量子通信廣域網(wǎng)絡(luò)，滿足金融系統(tǒng)跨地區(qū)、跨領(lǐng)域、跨機構(gòu)的信息保密傳輸需求。

【關(guān)鍵詞】量子通信;信息安全;密鑰分發(fā)

隨著金融領(lǐng)域信息化建設(shè)的推進，信息化條件下，金融信息網(wǎng)絡(luò)面臨的安全保密形勢越來越嚴(yán)峻，引入新的保密通信技術(shù)已迫在眉睫?；诩用?、解密技術(shù)的信息安全保密方法通常用在傳統(tǒng)信息對抗中，隨著密碼破譯技術(shù)的大幅度提高，采用傳統(tǒng)手段加密的數(shù)據(jù)，在金融信息網(wǎng)絡(luò)信道中被傳輸時，存在被第三方破譯、監(jiān)聽、篡改、偽造等風(fēng)險。量子通信技術(shù)是一種新型的保密通信技術(shù)，其利用量子糾纏效應(yīng)傳遞信息，在通信原理角度，可絕對確保金融信息網(wǎng)絡(luò)中金融信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1993年，Bennett等人研究了量子隱形傳態(tài)技術(shù)的保密通信方法。1997年，奧地利科學(xué)家驗證了量子隱形傳態(tài)技術(shù)在保密通信方面應(yīng)用的可行性。2001年，瑞士科研人員設(shè)計出了一種基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)的商用通信保密系統(tǒng)。2005年，中國科學(xué)家潘建偉等人證實了糾纏光通過大氣層后仍可保持良好的糾纏特性。2010年，日本研究人員基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)建成了名為TokyoQKDNetwork的6節(jié)點城域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。2016年，中國的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星通過量子密鑰分發(fā)技術(shù)，與地面站有效配合，成功實現(xiàn)了密鑰協(xié)商生成和密鑰安全分發(fā)。2017年，中國人民銀行在“人民幣跨境收付信息管理系統(tǒng)（RCPMIS）”中驗證了量子加密技術(shù)。工商銀行實現(xiàn)了異地數(shù)據(jù)千公里級量子加密傳輸技術(shù)應(yīng)用。北京農(nóng)商銀行打造了量子保密通信同城數(shù)據(jù)災(zāi)備應(yīng)用。交通銀行實施了企業(yè)網(wǎng)銀量子保密通信創(chuàng)新應(yīng)用。以上研究為量子通信技術(shù)在金融領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2量子通信技術(shù)原理

量子通信技術(shù)是利用光子等基本粒子的量子糾纏效應(yīng)來進行保密通信的新型技術(shù)，其本質(zhì)為量子態(tài)攜帶信息的通信技術(shù)。量子通信技術(shù)根據(jù)量子態(tài)不可克隆原理、海森堡測不準(zhǔn)原理、量子糾纏等理論基礎(chǔ)，在原理上保證信息傳輸?shù)摹敖^對安全”，任何非授權(quán)方均不可克隆和竊聽量子通道中傳輸?shù)男畔ⅰ８鶕?jù)實現(xiàn)原理不同，量子通信技術(shù)分為量子隱形傳態(tài)技術(shù)和量子密鑰分發(fā)技術(shù)。

2.1量子隱形傳態(tài)技術(shù)

在量子隱形傳態(tài)技術(shù)中，信息的傳輸通常在經(jīng)典通道與量子通道結(jié)合的通道中完成，量子態(tài)的傳輸則通過量子糾纏對（簡稱EPR對）的非定域特性實現(xiàn)。量子隱形傳態(tài)過程中，處于未知量子態(tài)的發(fā)送端粒子M，需要經(jīng)由通道被傳輸?shù)浇邮斩?。EPR對由粒子N1和粒子N2構(gòu)成，且粒子N1和粒子N2之間存在一種與空間、距離無關(guān)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在這種關(guān)聯(lián)關(guān)系的作用下，任一粒子量子態(tài)的變化均將導(dǎo)致另一粒子量子態(tài)的變化。根據(jù)上述分析可知，當(dāng)粒子M和粒子N1在發(fā)送端進行Bell基聯(lián)合測量時，粒子N2將會在接收端變換到另一量子態(tài)。當(dāng)來自發(fā)送端的Bell基測量結(jié)果經(jīng)由經(jīng)典通道接被接收端收到后，接收端分析粒子B2的量子態(tài)，并進行幺正變換，即可得到發(fā)送端準(zhǔn)確的信息。實際上，在量子隱形傳態(tài)過程中，信息載體為粒子的量子態(tài)，只有共享EPR對的通信雙方才可正確通信，其中經(jīng)典通道傳輸Bell基測量結(jié)果，量子通道傳輸量子信息，微觀粒子并沒有被直接傳送到接收端。

2.2量子密鑰分發(fā)技術(shù)

在量子密鑰分發(fā)技術(shù)中，信息的傳輸同樣也在經(jīng)典通道與量子通道結(jié)合的通道中實現(xiàn)。實際上，經(jīng)典通道被用來傳輸密鑰協(xié)商時的校驗信息（基矢比對信息）和協(xié)商后的加密信息。量子通道被用來傳輸量子態(tài)的微觀粒子（例如單光子）。假設(shè)在基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)的安全保密通信中，單光子為信息載體，則量子密鑰分發(fā)技術(shù)的安全保密通信原理描述如下：由于從物理學(xué)角度來講，單個光子是不可再分的，因此竊聽者通過獲取少于1個光子的狀態(tài)，得到密鑰信息的方法不可行;假設(shè)單光子的狀態(tài)可以被竊聽者竊取后測量，并能依據(jù)測量結(jié)果可給接收方發(fā)送一個新光子，但由海森堡測不準(zhǔn)原理可知，上述過程中，光子的狀態(tài)將會產(chǎn)生改變，因此，發(fā)送方和接收方只要分析基矢比對信息，就可發(fā)現(xiàn)竊聽者對光子進行過測量，從而采取應(yīng)對措施;假設(shè)竊聽者在截取單光子后，嘗試通過復(fù)制單光子狀態(tài)的方式獲取信息，但由量子態(tài)不可克隆原理可知，未知量子態(tài)不可被準(zhǔn)確復(fù)制;量子密鑰分發(fā)的安全性由量子密分發(fā)協(xié)議（BB84協(xié)議）保障。

3量子通信技術(shù)在金融信息系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

3.1量子保密通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)

實際應(yīng)用中的量子通信技術(shù)，其量子密鑰的生成和安全分發(fā)往往通過經(jīng)典通道與量子通道的共同配合來實現(xiàn)，因此，采用量子通信技術(shù)必將對現(xiàn)有金融信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來改變，并在很大程度上增加現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。通過上述分析可知，量子通信技術(shù)在應(yīng)用過程中，必須根據(jù)當(dāng)前金融信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)現(xiàn)狀，深入考慮量子通信的技術(shù)特點，認(rèn)真開展網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信協(xié)議等的設(shè)計工作，并在盡量不增加現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的前提下，有效發(fā)揮量子通信的技術(shù)優(yōu)勢，確保信息的安全傳輸。

3.2高碼率量子密鑰生成技術(shù)

通過分析可知，量子密鑰生成速率是量子通信技術(shù)實現(xiàn)“一次一密”大容量安全保密通信的基礎(chǔ)，也是衡量量子安全保密系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。但是，當(dāng)前由于受到量子密鑰生成協(xié)議以及電子元器件性能等因素的制約，量子通信技術(shù)應(yīng)用在工程實踐中時，量子密鑰生成速率最高僅為105bit/s，該速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需求，因此，提升量子通信技術(shù)中量子密鑰的生成速率，進而有效提高量子通信的速率，是未來量子通信技術(shù)研究的重要方向之一。

3.3量子保密通信系統(tǒng)效能評估技術(shù)

在量子通信過程中，量子保密通信系統(tǒng)效能評估的重要手段是量子保密通信系統(tǒng)效能評估技術(shù)，該技術(shù)與傳統(tǒng)保密通信系統(tǒng)效能評估技術(shù)對比，可有效為量子保密通信系統(tǒng)的設(shè)計、論證與優(yōu)化提供技術(shù)支撐。量子保密通信系統(tǒng)效能評估技術(shù)同時也是檢驗量子保密通信系統(tǒng)保障信息有效傳輸能力的主要方法。

4量子保密通信應(yīng)用、提升金融業(yè)信息傳輸安全保障水平的若干建議

未來我國將通過5到10年努力，構(gòu)建一個天地一體化的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，保護千家萬戶的信息安全。金融業(yè)作為國民經(jīng)濟當(dāng)中信息傳輸安全性要求最高的行業(yè)之一，也是目前量子保密通信實用化最前沿、最具前景的領(lǐng)域之一。在未來，金融業(yè)實現(xiàn)量子保密通信的規(guī)?；逃茫枰ㄕ块T、金融機構(gòu)、科研院所、高等院校、科技企業(yè)等多方協(xié)同合作、共同推進。具體來說，提出以下建議：

4.1加大科研投入，攻克量子保密通信核心技術(shù)難關(guān)

量子保密通信技術(shù)目前還有許多需要攻克的難關(guān)。以量子傳輸?shù)闹笖?shù)衰減為例，盡管目前已經(jīng)研發(fā)出具有225個存儲單元的量子存儲器，實現(xiàn)破解量子中繼難題的一大跨越，但這并不意味著遠(yuǎn)距傳輸?shù)碾y題得到徹底解決。量子中繼除了需要較大的存儲容量外，還要求量子態(tài)寫入和讀出效率與存儲時間最優(yōu)化，只有解決上述難題，才能實現(xiàn)量子中繼實用和遠(yuǎn)程傳輸。要真正推動量子通信從試驗走向?qū)嵱?，需要持續(xù)加大科研投入?？梢杂筛咝：涂蒲性核鲗?dǎo)，多方共同參與，依托國家重大科技項目支持，加強各方交流與合作，共同攻克量子保密通信的技術(shù)難題。要重視基礎(chǔ)元件的自主研發(fā)，擺脫核心器件主要依賴進口的局面，提升我國量子保密通信的自主創(chuàng)新能力，實現(xiàn)量子保密通信廣域覆蓋，進而推動量子保密通信在金融業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用。

4.2建立政、銀、校、企協(xié)同合作機制，共同推進量子保密通信發(fā)展和在金融領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)階段，我國量子保密通信的研發(fā)主要由科研院所與高等院校承擔(dān)，政府部門以及市場主體的參與度較低。量子保密通信是一項跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的系統(tǒng)工程，其發(fā)展需要將量子物理學(xué)與經(jīng)典傳輸、密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)工程等領(lǐng)域充分融合，也需要市場主體的密切配合。這就意味著，量子保密通信的規(guī)模化發(fā)展，必須建立在包括政府部門、科研院所、高等院校、科技企業(yè)、金融機構(gòu)等多方參與的系統(tǒng)化協(xié)同體系之上。此外，要實現(xiàn)量子保密通信在金融業(yè)的規(guī)模化商用，離不開貨幣當(dāng)局、金融監(jiān)管當(dāng)局的積極參與。貨幣當(dāng)局、金融監(jiān)管當(dāng)局要對新技術(shù)和新項目進行全程監(jiān)督，防范新技術(shù)應(yīng)用中的操作風(fēng)險，為量子保密通信高效、安全地應(yīng)用于金融業(yè)提供指引。國內(nèi)有實力的金融機構(gòu)，可以考慮將量子保密通信應(yīng)用納入總體戰(zhàn)略規(guī)劃，提前進行部署，為進一步應(yīng)用量子保密通信技術(shù)打好基礎(chǔ)。

4.3加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建立量子通信廣域網(wǎng)絡(luò)

實現(xiàn)金融業(yè)的量子通信規(guī)?；逃茫仨氁ǔ筛采w范圍更廣的通信網(wǎng)絡(luò)，這樣才能滿足金融系統(tǒng)跨地區(qū)、跨領(lǐng)域、跨機構(gòu)的保密傳輸需求。目前，我國已經(jīng)完成多個實用量子通信網(wǎng)絡(luò)的搭建，下一步將不斷增加節(jié)點數(shù)，延長通信距離，形成廣域網(wǎng)絡(luò)。這就需要政府部門牽頭和斥資，聯(lián)合科研院校和量子信息技術(shù)企業(yè)，對國家整體的保密通信網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)，并且基于金融保密通信的實際需求，作出切實有效的針對性部署。量子保密通信廣域網(wǎng)絡(luò)在金融領(lǐng)域的穩(wěn)妥、有序應(yīng)用，還需要由通信主管部門與人民銀行聯(lián)合制定相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為金融機構(gòu)提供規(guī)范指引。

5結(jié)語

隨著金融領(lǐng)域