量子6G最新观点
把量子通信/计算引入6G是面向6G的研究方向之一,近期,“5G美洲”在其6G白皮书中把“量子计算、密码学和通信”列入6G技术使能因素和趋势,给出了一些新观点。
密码算法和安全协议是在网络世界中构建安全通信解决方案的主要模块。移动网络是关键的基础设施,大量使用先进的加密算法和协议来确保通信中信息的安全以及个人隐私保护。
软件性能对于虚拟化部署中的软件实施至关重要。目前使用的算法不适合未来的部署,因为它们在软件上很慢,不支持256位密钥,并且只支持32位媒介接入控制(MAC)。3GPP SA3和欧洲电信标准协会安全算法专家组(ETSI SAGE)已开始合作开发适用于后续5G版本和6G的新虚拟化友好算法。
3GPP将引入的新算法可能仅支持256位密钥长度,并提供至少64位标签。虽然128位算法实际上可以抵御量子计算机,但蜂窝网络越来越多地被归类为关键基础设施。时至今日,政府和金融机构通常要求使用128位以上的安全级别来保护他们的通信。
随着网络的发展,必须考虑新的密码算法和签名,这将需要采用量子安全或后量子对称/非对称密码学。
小型量子计算机已经存在。然而,尚不确定何时或是否会建造能够破解这些密码算法的量子计算机。虽然未来10年内来自量子计算的重大威胁的可能性很低,但考虑到到2030年应在网络中引入成熟的量子安全密码技术和后量子算法,不能无限期地假设这一点。3GPP可能会在量子计算机接近影响3GPP系统的安全性之前就引入量子安全。引入非标准化密码算法可能带来的风险多于它能解决的风险,3GPP和IETF都已决定等待NIST后量子密码学(PQC)算法的标准化,该算法已经进入最后一轮,并将在2022-2024年完成。之后,IETF将在数据报传输层安全(D)TLS、互联网密钥交换版本二(IKEv2)、X.509、JOSE和混合公钥加密(HPKE)中对PQC算法的使用标准化,一旦完成,3GPP将引入新更新的IETF评论请求(RFCs)。
量子网络的研究人员正在研究量子密钥分发(QKD),这在理论上以是一种可证明安全的方式来进行未经身份验证的密钥交换。然而,QKD对于加密、完整性保护或当今使用密码学的身份验证等任何其他用例都没有用,因为它需要新硬件,而且与在经典计算机上运行的基于软件的算法相比也非常昂贵。
在一份白皮书中,英国政府不鼓励使用QKD,因为它会引入新的攻击向量,其硬件依赖性不具有成本效益,而且范围有限,不适合未来的挑战。其建议使用后量子密码术(PQC)作为更好的替代方案。
美国政府对QKD也有类似的悲观看法。该国国家安全局中央安全局(NSACSS)在其关于QKD115的报告中列出了阻止使用QKD的5个主要缺点:
NSA指出PQC是比QKD更具成本效益且易于维护的解决方案,并且不支持使用QKD或QC来保护国家安全系统中的通信。
随着量子力学在计算和通信中的应用,有可能实现未来的可信赖网络。量子网络使用光子的量子特性来编码信息,未来或将能够在由不同量子技术组成并相隔一定物理距离的多个节点之间分布纠缠。本地量子网络(内联网)可能需要不同的组件,例如量子互连和量子存储器。地面量子网络可能包括陆基、空基和海基平台。大多数量子协议需要经典层的支持,因此将量子网络与经典组件连接起来至关重要。一个功能齐全的网络将需要在一些使能技术方面取得进步,例如光和物质的量子态的源、检测器、换能器和中继器。
量子位或量子比特是量子信息处理的基本组成部分。传统计算机将数据存储和处理为一系列“1”和“0”,而量子计算机使用量子系统的特性,例如光子的极化或电子的自旋。
量子纠缠是一种量子力学现象,其中两个或多个物体的量子态必须参照彼此来描述,即使各个物体在空间上可能是分开的。完美纠缠的物体无论相距多远都表现为单个量子态,并且表现出传统方法无法获得的相关性。
根据单量子比特不可克隆定理,任何对量子密钥的篡改都会改变量子态或破坏信息载体本身,使窃听者获得的信息毫无意义。从而可以利用量子态作为通信密钥,实现“绝对安全”的信息传输。
纠缠是实现几乎所有量子技术的基本资源,但它非常脆弱,很难长时间和远距离地创建和维护。即使在最乐观的技术发展假设下,传输距离也仅限于不到500公里。
传输光子有两个主要通道:光纤和自由空间。其中每一种都有挑战和机遇。
量子中继器可以在量子网络的远距离(和不相关)节点之间使能和扩展基于光纤的量子纠缠分布范围,而不会遭受难以忍受的信号损失。它依赖于纠缠资源、投影测量和量子存储器。
卫星已被公认为利用当前或近期资源实现全球范围量子通信的最佳方法之一。使用卫星是有利的,因为纠缠光子穿过的大部分光路都在自由空间中,与大气或光纤链路上的地面纠缠分布相比,损耗更低。
安全量子通信的潜在应用包括银行业、国家安全、能源输送基础设施、保护个人识别数据(PID)和其他敏感数据、互联网协议语音(VoIP)、盲量子计算、量子传感器网络、精密时钟同步、分布式量子计算。