摘要：去年 5 月，中国研究人员宣布他们已使用量子计算机破解了 RSA 加密（一种广泛使用的保护私人数据传输的方法），这在信息安全界引起了轰动。但在研究了所呈现的细节后，西方研究人员认为这些说法有些夸大其词，没有必要恐慌。尽管如此，这一声明强调了一点：依靠数学复杂性

去年 5 月，中国研究人员宣布他们已使用量子计算机破解了 RSA 加密（一种广泛使用的保护私人数据传输的方法），这在信息安全界引起了轰动。但在研究了所呈现的细节后，西方研究人员认为这些说法有些夸大其词，没有必要恐慌。尽管如此，这一声明强调了一点：依靠数学复杂性保护数据的传统方法的时代已经屈指可数了。在即将到来的量子计算时代，新的数据保护方法将变得不可或缺。

即将出现的一种方法最初针对金融领域，它使用量子代币，即股票和货币等资产的数字表示。由于量子数据很脆弱，生成后无法长期保存，因此这种新方案中的量子代币由接收方的设备自动转换为数字数据并存储，直到稍后兑换。

11 月，三井、NEC 和 Quantinuum宣布他们已成功使用现成设备在东京 10 公里光纤网络上交付和兑换量子代币，这在业界尚属首次，该技术由此向前迈进了一步。量子代币的交付使用了一种新的交换协议，该协议采用了一种名为量子密钥分发(QKD) 的新兴技术。

QKD 理论上是牢不可破的

QKD 至少在理论上是一种不可破解的方法，用于在双方之间共享密钥，然后可以使用该密钥对私人消息进行加密和解密。金融机构、政府实体、大型科技公司和军队目前正在测试该技术。

QKD 利用光子的量子特性，具体来说，就是测量偏振等特性会改变其量子态。QKD 中使用的光子通常由专用硬件（如激光器）生成。Quantinuum 的高级光子工程师 Jefferson Florez 表示，通过使用偏振滤光片，QKD 将这些光子作为随机选择的单个光子序列在双方之间传输，每个光子代表一个比特。

只选择一部分光子来形成密钥，并且只有使用正确的过滤器才能准确读取每个位。第三方无法确定使用了哪些过滤器，因此数据窃贼无法在不改变其状态并在此过程中提醒用户的情况下复制光子位。这种安全方案以不可克隆定理为基础，该定理指出不可能复制未知和任意的量子态。

以银行和客户为例，量子代币协议知识产权所有者 Quantinuum 的网络主管 Duncan Jones 描述了量子代币的使用案例。客户从银行收到量子代币后，为了在自己选择的分行兑换其价值，会使用标准方式向银行发送一条消息。加密消息包括分行名称和客户的数字代币数据，客户会在数据中添加一个随机位，使银行无法读取通信内容，但仍可识别和验证。然后，银行会将通信副本发送给所有分行。

“当客户将令牌数据提交给指定分行时，系统会进行本地验证，无需交叉核对，”琼斯说。“令牌只能使用一次，不能在其他分行兑换。”

银行通过量子信道向用户发行代币数据，而通信仍通过传统信道进行。然后，用户存储传统数据，并可以在分行兑换代币，而无需发行银行的验证。量子密钥分发测试涉及两个代表银行和客户的 QKD 单元，并允许客户在他们选择的银行分行兑换量子代币以进行金融交易。Quantinuum 另一个用例涉及商品支持的量子代币，其中代币代表有形资产，例如贵金属。由于量子代币不可伪造，因此不可能进行双重支付。这为发行中心机构提供了保证，并为用户提供了在隐私和本地验证下快速交易的好处。

“目前还没有已知的非量子解决方案能够同时提供不可伪造性、本地验证和隐私性，”琼斯说。“不同的方法可以实现三者中的任意两个，但不能同时实现三个。这就是量子代币的特殊之处。”

荷兰代尔夫特理工大学量子信息学教授Stephanie Wehner表示，用量子代币代表货币的想法可以追溯到 20 世纪 70 年代。“通过日本的这项试验，研究人员声称可以利用任意量子态来创建代表货币的代币，而且这些代币从根本上是不可能复制的，”她说。但由于缺乏任何详细的技术文件，“很难评论这些说法的真实性，”她补充道。“如果得到证实，那么利用现有硬件实现这种用例将非常重要。”

测试不可伪造代币的实际效果

Quantinuum 为 11 月的试验提供了量子令牌协议，而 NEC 则搭建了平台来测试该技术。该装置由两个经过修改的 QKD 单元组成，一个代表银行，另一个代表客户。每个单元都包含一个光子收发器和一个数字处理单元，这些设备通过 10 公里的专用光纤连接在一起。每个数字处理器都连接到一个应用服务器，而该服务器又连接到基于以太网的内部网。该内部网将银行和客户相互连接，并将客户连接到代表银行分支机构的两台计算机。

根据量子代币协议，银行的 QKD 光子收发器向客户的收发器发送一系列随机量子光子，这些光子用于创建量子代币。代币被转换成数字数据，然后与指定分行信息一起随机化并发送回银行，银行将信息转发给分行。只有指定分行才接受代币进行兑换。

标准量子密钥交易通常由 QKD 设备以每秒几百千比特的速度传输。但 NEC 量子密码系统研究组主任 Naoto Ishii 表示，量子令牌的协议要复杂得多，需要大约 1 千兆比特每秒的速度才能使交易切实可行。他说，工程师还必须修改 QKD 设备以与该协议配合使用，这被证明是一个挑战。

三井在试验中担任项目经理。三井副总经理 Koji Naniwada 表示：“我们正在发展数字交易领域的业务。因此，量子代币的安全性和即时性对我们来说很有吸引力。”

展望未来，石井团队正在努力延长传输量子令牌的光纤长度，在量子数据变得不稳定之前，光纤长度可以延长到 50 公里。其他目标包括加快令牌的传输和接收速度，以及开发不需要专用光纤作为量子通道的 QKD 设备。

除了金融应用之外，NEC 还发现量子代币还被大型公司和政府机构用于加密通信。因此，作为一家企业，NEC 正在考虑同时提供该技术的平台和量子代币应用服务。

石井说：“尽管为了适应应用，平台需要进行一些定制，但我们相信该技术现在已基本完成并可以投入商业使用。”

来源：长河的一条鱼