量子密钥分发与认证技术解析

量子密钥分发与认证：厘清事实与误解

量子密钥分发（QKD）是一种利用量子物理定律在远距离通信方之间安全共享秘密信息的技术。通过量子力学特性确保任何试图干扰秘密共享过程的行为都会被通信方察觉。通过QKD建立的密钥可用于传统对称加密或其他密码技术来保障通信安全。

"现在记录，以后解密"（RNDL）是量子计算进步带来的网络安全风险。攻击者当前记录加密数据，即使无法立即解密，也期望未来量子计算机能够破解当前保护数据的密码算法。金融记录、医疗数据或国家机密等敏感信息可能面临风险，即使在传输多年后。缓解RNDL需要采用抗量子密码方法，如后量子密码（PQC）和/或量子密钥分发（QKD）。

认证在QKD中的作用

在QKD背景下讨论认证时，关注的是通信方用于交换量子通道活动信息的经典数字通道。这涉及通信实体和数据交换的认证：实体认证确保各方身份真实；数据认证保证接收信息与发送源一致。QKD协议包含使用两种认证方法的经典通信组件以确保交互安全。

实体认证方法

• 公钥基础设施（PKI）认证：由可信证书颁发机构（CA）签发证书，验证方依赖CA建立信任
• PGP/GPG（信任网）认证：去中心化信任模式，由可信第三方担保公钥
• 预共享密钥（PSK）认证：通过离线或安全带外方法共享密钥

数据认证方法

• 对称密码学：双方共享密钥，使用密钥消息认证码（MAC）验证数据完整性
• 非对称密码学：使用数字签名，通过私钥生成签名，公钥验证

QKD中的认证实现

QKD协议依赖量子物理学基本原理实现"信息论安全"，与计算复杂性提供的安全有本质区别。量子模型中任何窃听密钥交换的尝试都可被检测，提供经典密码学无法实现的安全层。

QKD依赖经过认证的经典通信通道确保数据完整性，但不依赖该通道的机密性。目前多个商业QKD产品实现了BB84协议及其变种，这些解决方案在实际应用中提供安全密钥分发，并配强认证过程确保通信全程安全。

实际部署考虑

QKD实际部署的关键挑战之一是将QKD设备生成的密钥安全传输到目标用户。无论QKD系统部署在大型内联网还是小型局域网中，密钥都必须通过非QKD系统传输。标准部署要求密钥从QKD系统到密钥消费者的交付发生在"同一安全站点"内。

最佳实践是尽可能缩小安全站点的边界。极端方案是将QKD设备和密钥用户的计算硬件放在同一物理单元中，完全消除对传统网络协议的需求。在不可行的情况下，安全站点应仅覆盖本地QKD系统和目标密钥消费者。

结论

QKD生成的密钥在量子计算机出现后仍将保持安全，使用这些密钥的通信不易受到RNDL攻击。为使QKD充分发挥潜力，需要与更广泛的网络安全生态系统密切合作，特别是在密码学、治理、风险和合规（GRC）领域。通过整合这些领域建立的见解和框架，QKD可以克服当前在信任和实施方面的挑战。