選舉漏洞修復?瑞士測試量子密碼技術

瑞士官員將以每秒千兆位元的速度加密選票資料,以確定這項實驗是否能帶來更可靠的選舉

量子密碼技術依賴於物理定律,以確保編碼後的資訊只能被授權者解讀,多年來,它一直被認為可以提供比當今更常用的公鑰基礎設施(PKI)強大得多的加密技術。問題是,這種量子技術在實驗室環境之外的記錄在案的應用案例寥寥無幾,甚至根本沒有。

但這即將改變:在週日瑞士全國選舉期間,日內瓦的官員將使用量子密碼技術來保護連線其選票資料錄入中心和政府選票儲存庫的網路安全。量子密碼技術依賴於傳送者和接收者之間用於加密和解密資料金鑰的高度安全交換,瑞士選舉官員對這項技術已為黃金時段做好準備的信心,將為這項仍處於起步階段的技術提供強勁的推動力。

日內瓦大學教授尼古拉斯·吉辛說:“這次活動標誌著量子技術在現實世界中的首次亮相。這是第一次為使用真實資料的真實客戶完成這項工作。”


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事實上,該大學的研究人員以及由該校分離出來的量子加密技術提供商 id Quantique, SA,希望這次選舉能為他們的試點量子通訊網路 SwissQuantum 專案提供急需的動力。SwissQuantum 專案由吉辛領導,並得到瑞士國家科學基金會國家量子光子學研究能力中心的支援,預計將為解決阻礙量子加密技術更廣泛應用的缺陷提供額外的渠道。

儘管瑞士公民將使用紙質選票投票,但投票結束後,有關票數的資訊將輸入計算機。這就是價值 10 萬歐元(14 萬美元)的 id Quantique 加密系統發揮作用的地方,它以每秒千兆位元的驚人速度加密資料,並將其從這些計算機發送到大學資訊科技中心執行的資料中心。

使用量子加密技術,傳送者將加密金鑰編碼到單個量子粒子(例如光子或電子)上,並透過光纖線路將該粒子傳送到目的地。有關粒子關鍵特徵(例如其大小或極化水平)的資訊也傳送到目的地。如果到達的粒子以任何方式扭曲,則將其丟棄併發送另一個金鑰。這可以保護量子加密和量子金鑰分發免受第三方竊聽,因為粒子在不改變其量子態的情況下無法被攔截。

BBN Technologies 公司(位於馬薩諸塞州劍橋市)的研究科學家喬納森·哈比夫說:“量子金鑰分發被用作一種在兩個人之間交換金鑰的新方法,然後該金鑰用於加密訊息。”該公司於 2003 年與國防高階研究計劃局(DARPA)合作建立了世界上第一個量子金鑰分發網路。“您傳輸的不是訊息,而是加密金鑰。量子金鑰分發的魅力在於它為您提供了一種交換金鑰的方法,其安全方法根植於物理定律。”

量子加密技術的主要障礙一直是其遠距離傳送資訊的能力。美國商務部國家標準與技術研究院(NIST)、美國能源部洛斯阿拉莫斯國家實驗室和密歇根州阿爾比恩學院的科學家在去年的實驗中,在 185 公里(115 英里)的光纖電纜上生成並傳輸了秘密量子金鑰——這是此類資訊傳輸的最遠距離。第一個實驗性量子加密原型於 1991 年建立,只能傳送 32 釐米(12.6 英寸)的資訊。

量子密碼技術依賴於物理定律,以確保編碼後的資訊只能被授權者解讀,多年來,它一直被認為可以提供比當今更常用的公鑰基礎設施(PKI)強大得多的加密技術。問題是,這種量子技術在實驗室環境之外的記錄在案的應用案例寥寥無幾,甚至根本沒有。

但這即將改變:在週日瑞士全國選舉期間,日內瓦的官員將使用量子密碼技術來保護連線其選票資料錄入中心和政府選票儲存庫的網路安全。量子密碼技術依賴於傳送者和接收者之間用於加密和解密資料金鑰的高度安全交換,瑞士選舉官員對這項技術已為黃金時段做好準備的信心,將為這項仍處於起步階段的技術提供強勁的推動力。

日內瓦大學教授尼古拉斯·吉辛說:“這次活動標誌著量子技術在現實世界中的首次亮相。這是第一次為使用真實資料的真實客戶完成這項工作。”

事實上,該大學的研究人員以及由該校分離出來的量子加密技術提供商 id Quantique, SA,希望這次選舉能為他們的試點量子通訊網路 SwissQuantum 專案提供急需的動力。SwissQuantum 專案由吉辛領導,並得到瑞士國家科學基金會國家量子光子學研究能力中心的支援,預計將為解決阻礙量子加密技術更廣泛應用的缺陷提供額外的渠道。

儘管瑞士公民將使用紙質選票投票,但投票結束後,有關票數的資訊將輸入計算機。這就是價值 10 萬歐元(14 萬美元)的 id Quantique 加密系統發揮作用的地方,它以每秒千兆位元的驚人速度加密資料,並將其從這些計算機發送到大學資訊科技中心執行的資料中心。

使用量子加密技術,傳送者將加密金鑰編碼到單個量子粒子(例如光子或電子)上,並透過光纖線路將該粒子傳送到目的地。有關粒子關鍵特徵(例如其大小或極化水平)的資訊也傳送到目的地。如果到達的粒子以任何方式扭曲,則將其丟棄併發送另一個金鑰。這可以保護量子加密和量子金鑰分發免受第三方竊聽,因為粒子在不改變其量子態的情況下無法被攔截。

BBN Technologies 公司(位於馬薩諸塞州劍橋市)的研究科學家喬納森·哈比夫說:“量子金鑰分發被用作一種在兩個人之間交換金鑰的新方法,然後該金鑰用於加密訊息。”該公司於 2003 年與國防高階研究計劃局(DARPA)合作建立了世界上第一個量子金鑰分發網路。“您傳輸的不是訊息,而是加密金鑰。量子金鑰分發的魅力在於它為您提供了一種交換金鑰的方法,其安全方法根植於物理定律。”

量子加密技術的主要障礙一直是其遠距離傳送資訊的能力。美國商務部國家標準與技術研究院(NIST)、美國能源部洛斯阿拉莫斯國家實驗室和密歇根州阿爾比恩學院的科學家在去年的實驗中,在 185 公里(115 英里)的光纖電纜上生成並傳輸了秘密量子金鑰——這是此類資訊傳輸的最遠距離。第一個實驗性量子加密原型於 1991 年建立,只能傳送 32 釐米(12.6 英寸)的資訊。

哈比夫說,在瑞士進行的量子加密工作將是一次重要的學習經歷,尤其因為該技術仍處於早期發展階段。當今可用的量子金鑰分發系統僅在短距離內有效,並且隨著距離的增加,需要指數級的計算和網路資源。“如果您給該領域 5 到 10 年的時間,您將看到可擴充套件量子金鑰分發系統的雛形,”他說,並補充說,量子訊號今天無法放大,因為中繼器會在檢查光子時破壞光子及其攜帶的資料。“您需要一個量子中繼器,它將在量子資訊在網路中移動時保持其保真度。”當然,如果光纖網路沒有得到適當的保護,這種中繼器的存在也可能會削弱加密傳輸的神聖性。

懷疑論者表示,儘管瑞士政府演示量子密碼技術的計劃很有趣,但它不太可能大幅提高選舉的完整性。“這對投票安全或可信度沒有任何積極貢獻,”斯坦福大學計算機科學教授、致力於推動實施更易於驗證和審計的投票流程的非營利組織“已驗證投票基金會”的創始人戴維·迪爾說。“將投票資料傳輸到中央伺服器實際上是次要問題之一。就此而言,如果這是一個問題,則可以使用成本和風險較低的傳統密碼技術充分解決。”

迪爾說,為了擁有一個允許真正可驗證的選舉結果的投票系統,資訊必須從投票開始到計票和選舉認證期間都受到保護。那麼,瑞士的經驗能否幫助解決 2000 年美國總統大選混亂期間曝光的問題,那次混亂最終以最高法院的裁決告終,將喬治·W·布什送入白宮?迪爾說,極不可能,並指出美國仍然沒有進行聯邦選舉的最低標準,這些標準可以在全國範圍內建立一致性。

哈比夫說,在瑞士進行的量子加密工作將是一次重要的學習經歷,尤其因為該技術仍處於早期發展階段。當今可用的量子金鑰分發系統僅在短距離內有效,並且隨著距離的增加,需要指數級的計算和網路資源。“如果您給該領域 5 到 10 年的時間,您將看到可擴充套件量子金鑰分發系統的雛形,”他說,並補充說,量子訊號今天無法放大,因為中繼器會在檢查光子時破壞光子及其攜帶的資料。“您需要一個量子中繼器,它將在量子資訊在網路中移動時保持其保真度。”當然,如果光纖網路沒有得到適當的保護,這種中繼器的存在也可能會削弱加密傳輸的神聖性。

懷疑論者表示,儘管瑞士政府演示量子密碼技術的計劃很有趣,但它不太可能大幅提高選舉的完整性。“這對投票安全或可信度沒有任何積極貢獻,”斯坦福大學計算機科學教授、致力於推動實施更易於驗證和審計的投票流程的非營利組織“已驗證投票基金會”的創始人戴維·迪爾說。“將投票資料傳輸到中央伺服器實際上是次要問題之一。就此而言,如果這是一個問題,則可以使用成本和風險較低的傳統密碼技術充分解決。”

迪爾說,為了擁有一個允許真正可驗證的選舉結果的投票系統,資訊必須從投票開始到計票和選舉認證期間都受到保護。那麼,瑞士的經驗能否幫助解決 2000 年美國總統大選混亂期間曝光的問題,那次混亂最終以最高法院的裁決告終,將喬治·W·布什送入白宮?迪爾說,極不可能,並指出美國仍然沒有進行聯邦選舉的最低標準,這些標準可以在全國範圍內建立一致性。

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