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量子計算将帮助保护电网的安全

 

本期導讀】:美國電網將通過量子密鑰分配(QKD)來保護電網安全,橡樹嶺與洛斯阿拉莫斯國家實驗室之間的聯合計劃正在逐步實現這一技術。

量子計算将帮助保护电网的安全
雖然美國電網的網絡安全專家從很早以前在面對黑客的威脅時已經采取了積極的防禦措施,但是最近黑客的入侵卻變本加厲。

量子密鑰分配(QKD)是一种有可能让黑客无机会接管网络的技术。虽然这是量子計算假设的落地使用之一,但是出于技术障碍,直到现在,量子密鑰分配仍无法在我们的电网上规模使用。但是橡树岭和洛斯阿拉莫斯国家实验室之间的联合计划正在实现一个又一个突破的里程碑。

密鑰分發問題

通常,在用于傳感器網絡中的安全通信的所采用的對稱密鑰加密系統中,雙方需要交換密鑰,從而不將其暴露給潛在的竊聽者。在本地應用程序中,通常可以通過直接交換來完成。但是當安全系統諸如像電網這樣的分布式網絡時,有可能會出現有人在節點之間竊取密鑰。在配置設備之前,可以將密鑰構建到設備中,但這也存在其自身的問題。因此,保證所接收的密鑰在途中未被第三方竊取這一方法,這樣的工作將非常有價值。

量子密鑰分發如何檢測黑客

对于传统的数字网络,没有一种自然的方法来检测其他人是否正在使用和读取数据。因此,通过网络发送所谓的私钥很容易被窃听。在交换密钥之前,没有办法将密钥加密。而这里就是量子計算的用武之地,因为读取(测量)量子比特的行为会改变它们的状态,如果数据在途中被读取或篡改,则双方进行的统计分析可以检测并察觉到有窃听行为。这并不保证他们将拥有安全通道,但量子密鑰分配(QKD)确保他们知道他们是否确实能够安全地交换所需的密钥。从那里,可以使用任何所需的协议加密数据。

橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯如何將QKD擴展到電網

量子計算将帮助保护电网的安全
美國各地不同步的電網

不幸的是,量子比特不會長時間保持它們的狀態。因此,即使以光速沿光纜傳輸,QKD的傳輸距離也是有限的。在幾公裏內已經達到了高達1Mbps的速度,但在一百公裏傳輸距離上,它速度上只有區區幾kbps。這意味著穿越國家電網這樣遠距離需要一些重大突破或使用中繼服務才可行。

橡树岭和洛斯阿拉莫斯国家实验室一直致力于一个多阶段项目,以解决这个问题和其他涉及的问题,并使QKD在电网安全传输问题上成为现实。最近,他们成功地在两个不同的硬件和软件集之间的网格上展示了QKD (这也是一个重要的步骤),因为美国电网由来自各种供应商的设备和系统的拼凑而成。现在他们与EPB能源公司一起合作完成了这项工作,当然,EPB能源公司极具远见卓识,可以在其传输线旁运行光纤电缆。

在实验演示中,每个实验室的系统都生成了一个密钥,该密钥使用QKD发送到安全的中间节点。中间节点再生成第三个密钥,而第三个密钥又由两个实验室的端点私下共享 ,完成后,再启动安全加密的数据通信。接下来,实验室需要在更远的距离上研究QKD分发能力,其中可能用到包括将电力子站作为关键中继电器的方法。与此同时,ORNL和LANL已经将部分量子計算技术授权给了工业界。

翻譯:Sakura

校對:量豆豆

編輯:Sakura


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