新量子技术时代下的信息安全策略研究

引言

信息安全是数字时代发展的基础，从个人数据保护到国家网络安全，都要靠成熟的加密技术和防护体系。传统信息安全主要靠 RSA、ECC 等非对称加密算法，用复杂的数学问题建立安全屏障，这些年，它们一直有效保护着数据的传输和存储。但新量子技术的突破打破了这种局面，量子计算机靠量子叠加、量子纠缠的特性，能快速破解传统加密算法的数学难题。量子通信虽然有一次一密、窃听可知的优点，但实际使用时，技术适配、场景覆盖还存在漏洞，所以，相关人员要多分析新量子技术带来的安全问题和保障策略，这样才能应对量子时代的信息安全挑战。

一、新量子技术时代下的信息安全问题

（一）传统加密算法面临量子计算破解风险

传统信息安全体系的核心是各种加密算法，这些算法都把大数分解、离散对数等经典数学难题当作安全基础，这些年，它们一直有效保护着数据的传输和存储。但新量子技术中的量子计算，靠量子叠加、量子纠缠的特性，再配合 Shor、Grover 等专用量子算法，能大幅降低这些数学难题的计算复杂度，像是 Shor 算法能快速完成大数分解，对RSA、ECC 算法造成威胁，Grover 算法能让对称加密算法的安全强度降低一半【1】。现在全球已经有了百比特级的量子计算机，随着量子比特数量增加、相干时间延长，传统加密算法的漏洞会越来越大，现有信息安全体系正面临严重的量子威胁。

（二）量子通信应用存在场景适配与技术漏洞

量子通信靠量子态不可克隆性、测量塌缩特性，理论上能实现绝对安全的数据传输，是新量子技术时代里信息安全的重要突破方向。但实际用起来，它有不少安全短板，一个是传输距离和适应环境的能力有限，地面的通信干线容易受天气、地形影响，信号会变弱，卫星通信又面临终端适配难、接收不稳定的问题，很难覆盖到所有场景，有些场景还得靠传统通信，这样就形成了安全断点。另一个是硬件和软件都有漏洞，比如 QKD设备的光源不稳定，探测器也容易受干扰，软件里的密钥管理还有缺陷，这些漏洞可能会被攻击者利用，用来窃取数据，让量子通信的安全优势变弱。

（三）信息安全防护体系滞后于量子技术发展

新量子技术的更新速度比传统信息技术快很多，量子计算的比特数量、运算精度，还有量子通信的传输效率、抗干扰能力，几乎每半年到一年就会有突破。但信息安全防护体系的更新和落地却明显跟不上，从技术研发来看，抗量子加密算法虽然已经开始研究，但大多还停留在理论验证阶段，它们缺乏工程化应用的测试和优化，很难快速代替传统算法投入使用。从产业应用来看，大部分企业、机构的信息系统还是按传统技术架构搭建的，没有预留量子安全适配接口，以后要升级成抗量子安全系统，需要花很多钱改造服务器、终端设备等硬件，还要更新操作系统、数据库等软件，成本非常高。

二、新量子技术时代下的信息安全保障策略

（一）加速抗量子加密算法研发与工程化应用

应对量子计算对传统加密算法的威胁，核心是研发并落地抗量子加密算法，这类算法基于量子计算很难高效解决的数学问题，比如格上困难问题、基于哈希的签名方案，它们能抵御Shor 算法、Grover 算法的攻击，为信息安全提供量子抗性。研发时要注重理论突破和工程适配结合，既要验证算法的数学安全性，也要测试它在不同硬件、软件中的运行效率，要确保算法能和现有信息系统兼容，避免因为性能损耗影响用户体验【2】。比如，美国国家标准与技术研究院（NIST）从 2016 年开始推进抗量子密码标准化，2022年，他们选定CRYSTALS-Kyber 作为首个标准化的抗量子密钥封装机制，这个算法基于格基密码理论，在传统计算机和量子计算机环境下都有高效性、安全性。我国科研团队基于哈希签名方案，研发出祖冲之系列抗量子签名算法，它已经在政务数据传输、金融交易加密场景中试点应用，实现了抗量子安全和应用效率的平衡。

（二）完善量子通信系统的全链路安全防护

提升量子通信的安全性能，要从传输、设备、协议三个维度搭建全链路防护体系。先是在传输环节，要优化量子通信的环境适应性，可以通过研发高稳定性量子光源、低损耗光纤，增强地面干线的抗干扰能力，还要结合卫星量子通信和地面中继站，搭建天地一体化量子通信网络，填补场景覆盖的漏洞。然后在设备环节，要加强量子通信硬件的质量管控，可以用抗干扰探测器、防篡改光源模块，减少硬件漏洞，在软件环节，要优化量子密钥分发协议，完善密钥生成、存储、更新的全生命周期管理，避免密钥泄露或被篡改。同时，还要建立量子通信系统的安全检测机制，实时监控量子态传输、设备运行状态，及时发现并修复漏洞。比如，我国京沪干线量子通信工程建设时，针对传输环境漏洞，用了双光纤冗余传输技术，一条光纤受天气影响信号衰减时，系统会自动切换到备用光纤，保障传输连续。而针对设备漏洞，研发出了抗强光干扰探测器，通过加装滤光片、优化探测阈值，避免攻击者用强光干扰窃取密钥。针对协议漏洞，升级 QKD协议的密钥协商逻辑，加入双向身份认证机制，确保了传输双方身份合法。目前，京沪干线已经实现金融、政务等领域的跨区域量子保密通信，累计传输数据超 10 万 GB，没出现过一次安全漏洞，这证明了全链路防护体系的有效性。

（三）加强量子信息安全人才培养与国际合作

新量子技术时代的信息安全保障，需要专业人才支持和国际协同合作。先是在人才培养方面，量子信息安全需要同时懂量子物理、密码学、计算机工程的复合型人才，所以，需要搭建“高校教育+企业实训”体系。高校可以开设量子信息安全专业方向，增加格基密码、量子通信协议等课程，打牢理论基础，并且和企业一起建实训基地，提供量子计算模拟器、量子通信设备等实操平台，培养学生的工程化能力【3】。然后是在国际合作方面，量子技术的安全威胁是全球性的，单个国家很难应对，要通过 ISO、ITU 等国际组织，制定统一的抗量子加密标准和量子通信安全协议。同时，还要共享量子安全漏洞信息，一起测试验证抗量子算法，避免安全标准碎片化和技术壁垒。比如，我国教育部 2023 年在10 所高校开设量子信息安全本科专业，课程包括《量子力学基础》等，还和企业建了 20 个实训基地，学生可以参与量子通信干线运维和抗量子算法测试。在国际上，我国参与了 ISO/IECJTC1 的抗量子密码标准化工作，和美国、欧盟的科研机构一起发布漏洞共享白皮书，共享 12 类设备漏洞，还一起开展抗量子算法全球测试，推动形成全球统一的标准。

三、结语

总的来说，新量子技术时代既给信息安全带来量子威胁的挑战，也带来量子安全的机遇。当前，传统加密算法的量子漏洞、量子通信的应用缺陷、防护体系的滞后性，还是信息安全领域的核心问题。未来，可以通过加速抗量子算法研发、完善量子通信防护、加强人才培养与国际合作，逐步搭建抗量子、全场景、可落地的信息安全体系。

参考文献

[1]朱天成.量子安全通信中的量子信息隐藏协议分析与设计[D].南京信息工程大学,2019.

[2] 张亮亮, 张翌维, 梁洁, 等. 新量子技术时代下的信息安全[J]. 计算机科学,2017,44(07):1-7+15.

[3]周旭峰. 量子信息学对信息安全的影响浅析[J].价值工程,2015,34(33):192-195.