区块链、量子通信、云计算等新应用中的密码关键技术

目前主流的量子通信有单光子方案、连续光子方案、测量设备无关通信，还有其他例如量子直接通信、隐形传态等技术。而最成熟的是 BB84 协议。BB84 协议可利用量子的偏振及其不可克隆、（非相同基）测不准原理，协议如图 3 所示。

图 3 BB84 量子通信协议

发送方 Alice 随机产生一系列随机数（初始密钥），再随机生成一组基，将随机数制备到这组基上，发送给 Bob，Bob 随机产生一组测量基，对接收到的光子进行测量，完成测量后公布自己的基，Alice 告诉 Bob 哪些是正确的基，Bob 扔掉错误基，再进行保密放大即可实现密钥的协商。

我国在量子通信领域已经走在世界的前列，但是目前量子通信还存在一些问题，需要较长时间来解决。

(1) 经典信道与量子信道的交互会形成信息泄漏点，例如随机数的产生与传输、协商前共享参数的分发、协商后密钥的分发。

(2) 单光子产生安全性是一个风险点，比如如何实现抗分束攻击，为抵抗该类攻击，一般采用预共享数据加诱骗态方式，这样对首次通信的双方增加了困难。单光子探测器难度比较大，因为毕竟只能接收一个光子，有时候外界其他的光子进来了会误认为是发送的光子，这样就会出现暗计数。

(3) 单光子衰减很大，目前点对点通信举例大约 100 公里，超过这个距离就需要中继，而中继实际必须落地，相当于变成了三方通信或多方通信。这种对中继的可信安全要求也给量子通信带来困难，要求有很强的访问控制策略、权限管理、以及物理安全防护。如果要形成量子通信网络则困难呈指数上升，特别是非群组通信组网，如何实现可信中继成为亟待解决的问题。

(4) Bob 测量以后应该广播公开自己的基，但很多工程实现中经常只和 Alice 点对点通信，这样 Bob 和 Eve 就没有差别了，非广播形成了新的安全隐患，尽管可以通过预共享密钥解决，但预共享密钥又反过来给组网带来了更大的困难。

(5) 量子通信系统很脆弱，只要检测到监听则通信终端，健壮性不如传统网络。

量子通信、量子技术是高精尖技术，其成熟不是一蹴而就，由于量子通信理论上具备信息论安全，将其逐步完善，将会成为对抗量子计算的重要利器。

移动互联网和物联网的兴起，特别是手机等移动智能终端的普及，密码由传统的硬件形态变得更加多样化，一是移动端形态、计算能力、安全防护能力差别很大且不是系统可以掌控的（例如智能在手机上装应用软件）。二是很多数据都在云端，如何保证云端数据安全和隐私保护，并且云端不一定有确定的位置，例如内容分发网络 CDN，如何实现密钥的安全分发成为新的难题。

(1) 算法白盒化或将敏感数据秘密共享，利用混淆等技术，在 TEE 或者 SE 环境中实现安全计算。

为了在软件环境中不泄露密钥，一般都采用多种机制共同防护，一是使用白盒密码，将密钥隐藏，或是将密钥分成不同的成分，通过协同计算实现密码运算。二是将算法中关键步骤和数据加以混淆，例如操作混淆和替换、控制流扁平化不透明、函数混淆、代码随机指令等方式，加大软件逆向工程困难，三是在安全模块 SE 或者可信执行环境 TEE 中运行敏感操作，与其他应用形成物理 / 逻辑隔离。

(2) 通过虚拟机技术、秘密共享技术、同态算法和严格的内部审计实现云端安全计算环境。

一是采用同态算法实现云端数据的密态计算和密态查询；如果因为效率等其他原因，不便采用同态算法的，由于云计算虚拟机的隔离不是物理意义上的隔离，密码边界防护需加强，特别是内部审计已经变成了依靠云端自身的安全审计。

二是云端提供的服务不同，密码防护能力需求也不同，安全计算、安全存储较为容易实现密码防护；批量数据的代签代验优于单个数据的代签代验，但是代签存在私钥托管，无法抗抵赖的风险；租户与云端是否需要安全通道，如需要，则安全通信向云端迁移难度很大，效率很低。

纵观信息时代的发展，从 PC 机到互联网再到移动互联网，乃至物联网时代的到来，人们的交互越来越便利，正在从物理世界向电子世界（互联网世界，虚拟世界）迁移。社交、资讯、游戏、购物、出行、工作都发生了重要的改变。如何解决虚拟世界的信任机制，是虚拟世界能否走向繁荣的关键一步，密码是解决机器信任的最后保障，新时代，新需求给密码带来了新的机遇和挑战，也将带来更多新的机遇和挑战。