日本官民一体布局“量子密码通信”

2020年1月以来， “量子密码通信”一词开始频繁出现在日本的媒体报道里。目前东芝在这一领域领军，其拥有的技术专利占全球第一位， NEC紧跟其后。可见日本在“量子密码通信”领域有着雄厚的技术基础。1月14日，东芝和日本东北大学宣布，成功开展了传送人类遗传（基因组）信息完整数据的实证试验。试验利用了可防止信息被偷窥的新一代“量子密码通信”技术。据悉，容量庞大的基因组数据传送在全球尚属首次，东芝表示实验确认了量子密码技术的实用性。未来将在安全性不可或缺的医疗、金融等领域实现商用化。1月22 ，东芝再次宣布，防止信息被偷窥的下一代技术“量子密码通信”将于2020年度实现商用化。首先将在美国市场面向金融业力争提供能安全收发高度保密数据的系统。据东芝介绍，这将是日本企业首次开展此类业务。在全球密码技术开发竞争日趋激烈的情况下，东芝希望引领相关市场。7月14日，由日本政府牵头的大型国家项目“量子密码通信”项目正式立项，由东芝、NEC、三菱电机、以及东京大学、横滨国立大学、国立情报通信研究机构（NICT）、国立产业技术综合研究所（AIST）、国立研究开发法人物质・材料研究机构（NIMS）等12家单位共同开发。

量子密码通信示意图（提供：东芝）日本的“量子密码通信”项目将展开四个方面的研究与开发：(1)量子通信和加密链路技术; (2)可信节点技术; (3)量子中继技术; 以及(4)广域网构筑和运用技术。在量子通信和密码方面，日本在理论研究、基础研究、网络技术实验上领先世界。在包括光工学在内的物理学、信息工学的强项的基础上，经过长期持续的基础研究和产官学合作的努力，取得了一系列的成果。尤其在量子转播所需的元件集成化，半导体技术和钻石的结晶增长技术等方面，日本积累了一系列的制造技术，如何将其与设备架构等理论相融合，进而促进量子器件技术与开发利用将成为该项目成功的关键。在日本发力之前，量子密码通信的竞争主要在美中与欧洲之间进行。美国拟定了《量子信息科学国家战略概要》，从2019年起5年里投入14亿美元；欧盟从2018年启动了类似的项目， 10年里投入12亿美元；中国在卫星通信领域引入量子通信技术，投资100亿美元建立研究基地。量子密码通信技术之所以受到关注，是因为这项技术一旦成功将颠覆现有的密码技术，现存的密码通信将变为明文通信一样赤裸裸毫无秘密。以现在普遍使用的非对称加密技术为例，它是通过在密码学上安全的伪随机数生成器的协助来产生一对密钥，其中一个可以随便公开，称为公钥；另一个不公开，称为私钥，必须由用户自行严格秘密保管。大家熟知的一个例子即爱丽丝与鲍伯的通信（如下图所示）。鲍伯通过“非对称密钥产生器”生成一对密钥，将公钥公开，任何人都可以利用它给鲍伯发送信息。

爱丽丝利用鲍伯的的公钥，将信息发往鲍伯后，只有鲍伯有解密用的私钥，才可以还原爱丽丝加密的信息。

假设伊凡截取了爱丽丝写给鲍伯的信，但伊凡没有鲍伯的私钥也只能是望文兴叹，一筹莫展。保证安全通信的非对称加密算法，都是基于各种数学问题来设计的。这些数学问题的特点是：正向计算很容易，反向推导则无解，譬如区块链使用的哈希函数等等。为了增加破译的难度，就要增加密码的强度即长度。譬如国际密码标准SHA的强度就达到了256位，即2的256次方。这样看起来天文数字一般的计算量，当量子计算实现时，将瞬间被破译。去年10月，谷歌的研究团队发表论文称，用3分20秒的时间解决了迄今为止使用超级计算机需要1万年时间的计算问题。于是，目前认为万无一失的区块链的保密性，届时也将化为乌有。那么，量子计算技术何时能达到实用化，量子密码通信的商用化前景如何？东芝预估该技术5年后将在发达国家展开应用， 2035年左右在全球普及，届时的市场规模将达到200亿美元。因此，布局这一技术已经变得非常迫切。供稿：戴维编辑修改：JST客观日本编辑部