科學人雜誌 4月號/2016 第170期：量子金鑰

量子金鑰 鎖住鈔票

一旦量子電腦在10年後問世，駭客便有機會隨時竊取你的網路交易資訊，屆時荷包恐不保。幸好，兩位科學家30多年前在海灘上想出的創新點子，如今可能演變成我們的救命繩。

撰文／佛爾吉（Tim Folger）
翻譯／鍾樹人

重點提要
■一般電子商務和通訊使用的加密法，通常以大質數為基礎，現今的電腦配備還不足以破解這種加密技術。
■量子電腦利用次原子世界的奇異規則，可同時嘗試程式碼的所有解法，因此能破解現在的加密法。
■尚未有人打造出完整的量子電腦，但學術機構、政府和民間研究人員都在研發，某些專家表示，他們可能不出10年就會成功。
■研究人員挖空心思使量子加密技術更加完美，並爭相推廣。量子加密利用量子的不確定性，創造出幾乎無法破解的程式碼。


10月的某個晴朗下午，在波多黎各聖胡安的海灘上，兩位科學家想到了一個創新的點子。那是1979年，布拉薩（Gilles Brassard）剛拿到美國康乃爾大學的博士學位，沉浸在溫暖的加勒比海裡，當時有人游向他，這位黑髮的陌生人侃侃而談如何製造無法偽造的貨幣。1969年，哥倫比亞大學的研究生魏斯納（Stephen Wiesner）提出了一項技術：在紙幣中嵌入光子；每張鈔票都有獨特的一連串光子、一個無法複製的量子序號。根據量子力學定律，任何測量或複製光子的方法都會立即改變光子的特性。

布拉薩現在是加拿大蒙特婁大學的資訊科學教授，他說：「當然，那時我很驚訝，但我還是禮貌地聽他說。」布拉薩表示，那段對話後來改變了他的人生；那位黑髮的班奈特（Charles Bennett）如今是IBM的研究物理學家，他在先前的研討會上就聽說了布拉薩。雖然他們都對量子鈔票的點子很著迷，但也明白這個點子在技術上不可行。即使到了今天，還是沒人知道如何在一張紙上捕捉、固定並儲存光子。畢竟，光子的速度很快。

布拉薩說：「現在稍有進展，雖然量子鈔票距離實際應用還有一大段差距，但就想像實驗來說，這是一個起點。這充份說明一個點子在實用層面上可能荒誕不羈，卻富有創意。因為班奈特和我就是從那裡，才開始有了新的想法，也就是如今廣為人知的量子金鑰傳輸（QKD）。」

QKD是利用光子來編碼並傳輸資料的技術，原則上，它提供了完全無法破解的加密型式。班奈特和布拉薩那天在海灘上相遇後，開始了為期五年的合作，催生有史以來第一個不借助數學複雜性、改用物理定律的加密法。當他們在1984年發表研究結果，很少研究人員注意到這個點子，更遑論有人認真看待了。布拉薩說：「有些人認為異想天開，但仔細讀過的人才會這麼說。我想連我們也沒這麼看重自己。」

不過情況今非昔比。30年前，除了政府的情報機構，很少人會用到加密技術。現在，加密已成為一般網路交易的基本技術。每當有人在網路上輸入密碼或信用卡號碼，網頁瀏覽器內建的精密程式會在幕後保護資訊安全，防止網路竊賊的覬覦。加拿大滑鐵盧大學量子計算研究所的研究人員馬卡洛夫（Vadim Makarov）說：「這是大家需要卻不會注意到的技術，可是它真的管用。」

過不了多久，加密技術可能就會失靈。隨著量子電腦的出現，現今的每種加密法幾乎不再管用，因為量子電腦能破解複雜的程式碼，無論亞馬遜購物網站或電力網，都將暴露在危險之中。雖然還沒有人打造出完整的量子電腦，但全世界的學術機構、企業和政府實驗室都在嘗試。2013年，史諾登（Edward Snowden）揭露美國國家安全局（NSA）秘密蒐集資料的行為，並提到NSA的秘密計畫「穿透硬目標」（Penetrating Hard Targets）：他們打算花費7970萬美元打造量子電腦。洛沙拉摩斯國家實驗室的物理學家紐厄爾（Ray Newell）說：「沒有人能拍胸脯保證，量子電腦不會在10或15年後問世。」

如果第一台量子電腦啟動了，在破解程式碼的威脅下，我們最有效的反制作為可能是另外一種量子魔法：以班奈特和布拉薩在32年前提出來的理論為基礎的網路加密技術。量子加密利用單一光子的奇異特性來編碼資料，事實上，打造量子加密會比量子電腦容易得多。再者，一些小型的量子加密計畫已經開始執行。只不過有個問題：以量子加密取代全世界的加密系統，可能會比發展量子電腦的時間還長。紐厄爾說：「如果你覺得未來10~15年將出現這個問題，那麼我們應該在昨天就開始做這件事，我們可能已經為時已晚了。」

對稱與非對稱的隱密
現在我們進行電子商務非常簡單，只要按按滑鼠、點點螢幕，但隱藏在背後的是優雅而複雜的數學演算法，是由兩種不同型式的加密法構成：「對稱加密」和「非對稱加密」。對稱加密使用同樣的密鑰來加密或解密資料；在非對稱加密中，一個金鑰用於編碼資料，另一個不同的金鑰則解碼資料。我們每次在網路上安全交換資訊，都需要用到這兩種方法。

一般來說，顧客的家用電腦與商家的網站伺服器進行資料傳輸，會先產生在網路上共享的一個對稱金鑰，對信用卡號碼和其他個人資訊進行編碼。基本上，金鑰是一組關於如何編碼資訊的指令。簡單說，金鑰可能把信用卡號碼的每個數字都乘以3。當然，在現實世界裡，金鑰的數學演算法複雜得多。每當有人在網路上購物，家用電腦的網頁瀏覽器就會與商家的網站伺服器交換金鑰。但在最初的交換過程中，我們如何保持金鑰的隱密性？這時就得透過非對稱加密這個第二層安全措施，加密對稱金鑰。

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