增強安全性和效能的實用混合型 PQC-QKD 協定

Core Concepts

為克服量子密鑰分發 (QKD) 和後量子密碼學 (PQC) 的個別限制，本研究開發了混合型協定，使 QKD 和 PQC 能夠在聯合量子-經典網路中協同運作，以增強安全性和效能。

Abstract

研究背景
隨著量子技術的快速發展，構建能夠抵禦未來量子電腦攻擊的安全通訊網路和密碼系統變得至關重要。量子密鑰分發 (QKD) 和後量子密碼學 (PQC) 是兩種應對此需求的主要方法。然而，QKD 受限於長距離傳輸損耗，而 PQC 的安全性尚未得到嚴格證明，且現有實現方案計算成本高昂。
混合型協定設計
為克服上述限制，本研究開發了混合型協定，使 QKD 和 PQC 能夠在聯合量子-經典網路中協同運作。具體而言，研究探討了以下混合型設計：

**串聯連接：**通過在長距離 QKD 線路中引入配備高性能超級電腦的資料中心作為中繼節點，利用 KEM 在資料中心之間進行高速密鑰分發，克服 QKD 長距離傳輸損耗的限制，提升整體密鑰生成速率。
**並聯設計：**為增強安全性，提出了兩種並聯密鑰分發設計：

**XOR 方案：**將 KEM 和 QKD 生成的密鑰位進行 XOR 運算，生成最終的共享密鑰位，確保攻擊者必須同時攻破 KEM 和 QKD 才能獲取完整密鑰。
**秘密共享 (SS) 方案：**利用秘密共享方案將訊息編碼成多個份額，通過不同通道分發給接收者，即使部分通道被攻破，也能保證訊息的安全性。
網路分析
為評估混合型協定在實際網路中的安全性，本研究將混合型網路表示為圖 G = (N, E)，其中 N 是節點集，E 是節點之間的 QKD 和 KEM 線路集。通過分析協定的最小漏洞集，可以評估不同協定的安全性。
未來發展方向
未來混合型量子網路的發展需要考慮共享網路資源的分配，以及密鑰分發、組合和應用中的具體安全細節，以確保即使在潛在的安全漏洞出現後也能順利運作。

Stats

當 QKD 線路長度為 10 公里時，使用商用設備的串聯連接協定的整體密鑰生成速度大約是單獨使用 KEM 通訊的 7 倍。
在擁有 5 個不同 KEM 或 QKD 線路的場景中，如果希望確保攻擊者在攻破不超過 3 個通道時無法獲取任何訊息，則可以使用 n = t = 5，g = 2 的秘密共享方案，此時信息比率為 η = 2/5，高於使用 4 個線路的 XOR 方案 (η = 1/4)。

Key Insights Distilled From

Practical hybrid PQC-QKD protocols with enhanced security and performance

by Pei ... at arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.01086.pdf

Deeper Inquiries

除了 QKD 和 PQC，還有哪些技術可以整合到混合型量子網路中以進一步提升安全性和效能？

除了 QKD 和 PQC，以下技術也可以整合到混合型量子網路中，以進一步提升安全性和效能：

量子中繼器 (Quantum repeater): 量子中繼器可以克服光纖傳輸中的損耗，從而延長 QKD 的有效距離，並提高長距離的密钥生成速率。
量子網路編碼 (Quantum network coding): 量子網路編碼可以提高量子資訊在網路中的傳輸效率，並增強網路的容錯能力。
量子隨機數生成器 (Quantum random number generator, QRNG): QRNG 可以提供真正的隨機數，增強 QKD 和 PQC 中使用的密钥的安全性。
盲量子計算 (Blind quantum computing): 盲量子計算允許用戶在不洩露輸入數據和算法的情況下，使用遠程量子計算機進行計算，這可以提高 PQC 的安全性。
區塊鏈技術 (Blockchain technology): 區塊鏈技術可以用於構建安全的密钥管理系統，並提供可審計的密钥分發記錄，從而增強混合型量子網路的整體安全性。
通過整合這些技術，可以構建更安全、更高效、更可靠的混合型量子網路，滿足未來量子時代對安全通信的需求。

如果量子電腦的計算能力得到顯著提升，是否會影響混合型 PQC-QKD 協定的安全性？

答案是肯定的，量子電腦計算能力的顯著提升會影響混合型 PQC-QKD 協定的安全性，但影響程度取决于量子電腦發展的速度和 PQC 算法的抗量子性。

對 PQC 的影響: 量子電腦的發展可能會導致目前被認為是抗量子的 PQC 算法被破解。如果攻擊者擁有足够强大的量子電腦，他們可以利用量子算法，例如 Shor 算法，有效地解決 PQC 所依賴的數學難題，從而破解 PQC 算法。
對 QKD 的影響: QKD 的安全性基於量子力學的基本原理，理論上不受量子電腦發展的影響。然而，實際的 QKD 系統中可能存在漏洞，例如設備缺陷或側信道攻擊，這些漏洞可能會被量子電腦利用。
因此，即使量子電腦的計算能力得到顯著提升，混合型 PQC-QKD 協定仍然具有一定的安全性。這是因為：

混合型協定結合了兩種不同安全機制的優勢: 即使其中一種機制被破解，另一種機制仍然可以提供一定的安全保障。
PQC 算法在不斷發展: 研究人員正在積極開發新的、更安全的 PQC 算法，以應對量子電腦帶來的威脅。
为了应对量子電腦的威胁，需要持续关注以下方面：

密切關注量子電腦的發展: 及時評估量子電腦對 PQC 和 QKD 安全性的影響。
積極開發新的 PQC 算法: 研究更安全的 PQC 算法，並對現有算法進行改進，提高其抗量子性。
加強 QKD 系統的安全性: 研究和解決 QKD 系統中存在的漏洞，例如設備缺陷和側信道攻擊。

如何在實際應用中平衡混合型量子網路的安全性、效能和成本？

在實際應用中平衡混合型量子網路的安全性、效能和成本是一個複雜的問題，需要綜合考慮以下因素：

安全性需求: 不同的應用場景對安全性的要求不同。例如，金融交易和軍事通信對安全性的要求遠高於一般的網路應用。
效能需求: 不同的應用場景對效能的需求也不同。例如，視頻會議和線上遊戲需要較高的带宽和較低的延遲，而電子郵件和文件傳輸則對效能的要求相對較低。
成本預算: 構建和維護混合型量子網路的成本仍然很高，需要在安全性和效能之間做出權衡。
以下是一些平衡安全、效能和成本的策略：

根據不同的應用場景選擇不同的技術組合: 例如，對於安全性要求極高的應用，可以使用 QKD 技術；對於效能要求較高的應用，可以使用 PQC 技術；對於成本敏感的應用，可以使用傳統的加密技術。
採用分層的安全策略: 將網路劃分為不同的安全區域，對不同的區域採用不同的安全策略。例如，對於核心區域，可以使用 QKD 技術；對於邊緣區域，可以使用 PQC 技術。
動態調整安全策略: 根據網路的運行狀態和安全威脅的變化，動態調整安全策略。例如，當檢測到攻擊時，可以提高安全級別；當網路負載較低時，可以降低安全級別以提高效能。
積極推動技術發展: 隨著技術的發展，QKD 和 PQC 的成本將會降低，效能將會提高。積極推動技術發展，可以降低混合型量子網路的成本，提高其安全性和效能。
總之，平衡混合型量子網路的安全性、效能和成本需要綜合考慮多種因素，並根據具體的應用場景制定合理的策略。