测量和网络加密

专题报道8月 23, 2022

开启下一步:新一代技术

测试与测量和网络加密如何为新颖的量子技术应用提供支持

公共部门和私营企业在量子技术领域投入数十亿资金。媒体陆续报告量子里程碑。前景广阔的量子传感器技术、计算和通信应用似乎即将实现。罗德与施瓦茨提供高精度测试与测量 (T&M) 解决方案,支持科学界、行业和公共机构针对量子系统执行特定测试。公司的加密专家将基于量子技术的安全通信产品从实验室带到相关外场应用中。

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“量子计算、量子传感器技术和量子通信具有突出的发展潜力。”

Ping Loke,企业研发执行副总裁

量子技术的投资金额非常庞大,彰显出这一领域的巨大创新潜力。知名的风险投资基金在全球范围内大力投资,国家级和跨国研究基金也吸收了数十亿的公共资源。

德国联邦教育与研究部投入 26 亿欧元设立量子技术基金。欧盟量子旗舰计划的预算至少为 10 亿欧元,美国国家量子倡议法案的拨款高达 20 亿美元。

"过去二十年间,相关研究急剧增多。第二代量子技术是当前的研究重点。"
Ping Loke,企业研发执行副总裁

量子技术影响日常生活。现代智能手机集成数千亿个晶体管,其中大多数存储在闪存芯片中。根据半导体的量子力学特性,这些晶体管可以控制电流和电压。第一代量子技术利用自然量子效应。第二代量子技术则是设计和操控量子态。

量子技术 2.0:预期愿景

个性化医疗

个性化医疗

个性化医疗:个体均不相同,疾病也是如此。不同人体内的癌细胞各不相同,而且通常还会不断变化。这些差异和变化在分析工作中作了详尽记录,海量数据随之产生。大数据是热门趋势。但是,传统计算机无法快速有效地评估这些数据,并制定个性化治疗方案。

升级供应链

升级供应链

升级供应链:商品流通到世界上的每一个角落,人们只需轻点一下,就能购买一台全新的家用平板电脑,或为公司聚会置办奖品。这一切依赖于复杂的物流网络,制造商、服务提供商、供应商、商人、航运公司和快递服务人员等均参与其中。集装箱港口略微积压货物,或者商品价格变动,就必须尽快找到替代品。这项工作非常复杂,传统计算机同样无法处理。

安全通信中的量子物理

安全通信中的量子物理

安全通信中的量子物理:无论是日常生活还是工作,亦或在海边度假时拍照或提出新产品的开发提案,都需要保护数据和数据传输。时至今日,企业一直将网络攻击及其后果视为最大的商业风险。量子计算的发展,揭露出传统加密技术的不足之处。创新的量子通信能够可靠地检测未经授权的访问操作,是保障未来安全的关键。这可以真正为敏感数据创建非常安全的通道。

快速、更快。尽在量子计算。

二进制代码操控整个世界。传统计算机将数据处理成 0 或 1、真或假、关或开序列。从简单的文本处理到元宇宙中的虚拟现实,均是如此。但是,我们生活和工作的世界变得越来越复杂。亟需处理的数据量急剧增加。2020 年产生的数字数据量是 2012 年的十倍,预计到 2025 年这一数字还将增加两倍。届时,数据量将超过 180 泽字节,即 180 万亿千兆字节。

因此,传统计算机面临两个无法逾越的障碍:时间和复杂程度。数据量越大,处理时间就越长。问题越复杂,只存在两种状态的二进制代码就越难以有效地计算出解决方案。量子计算机利用现代物理学,能够应对这两个挑战。

Some like it cold

低温研究

Walther Meißner 低温研究所 (WMI) 位于巴伐利亚科学与人文学院。研究所在低温和超低温物理学领域开展基础和应用研究。研究人员非常关注量子计算,并使用罗德与施瓦茨及其子公司苏黎世仪器的测试与测量解决方案来控制系统。

协调共存

和传统位一样,量子位 (qubit) 是量子力学存储单元。除了表示 0 和 1 之外,量子位还可以假设叠加态和混合态。这种同时性代表重要的技术范式转移。量子计算机现在能够同步运行传统的顺序计算方法,因此能够节省大量时间。

但更为重要的是,创新的量子力学方法能够处理更加复杂的新问题。不过,传统的处理功能和量子计算可以共存。根据任务情况,可以集成现有系统和量子系统。

快速查看研究目标,应用研究团队便能发现需要完成哪些工作。蛋白质折叠问题非常重要,也是一个关键研究领域。确定解决方案有助于根据蛋白质的一级氨基酸序列预测三维结构。这种研究将有助于开发有效的个性化医疗方案,因此被寄予厚望。

物理和逻辑

量子世界中的粒子可以同时在两个地方出现。只有观测到粒子,才能通过测量缩小粒子的位置范围。粒子被观测到后,位置才会确定。正是由于这种异常特性,粒子非常不稳定。单独使用物理量子位非常容易出错,因此多个量子位会组成逻辑量子位。但是,挑战也随之出现:量子系统需具备一百万个逻辑量子位,以处理蛋白质折叠等实际问题。逻辑量子位至多可能包含 100 个物理量子位,但目前处理能力最大的系统仅有 127 个物理量子位。

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“我们的使命是协助建造量子计算机。”

Sadik Hafizovic 博士,罗德与施瓦茨旗下公司苏黎世仪器的首席执行官兼联合创始人

苏黎世仪器是罗德与施瓦茨大家庭的新成员。量子计算的测试与测量市场更是为两家公司带来了巨大的发展潜力。操作和维护量子计算机需要利用各种特定的测试与测量解决方案,因此这需要非常准确地生成和测量射频信号,以便有效地创建和记录量子态。公司制造用于量子计算机的控制系统。

"研究实验室和行业合作伙伴使用我们的测量和控制系统以准确操作量子计算机。我们的产品让量子研究人员不必浪费时间开发仪器,推动了创新。"
Sadik Hafizovic,罗德与施瓦茨旗下公司苏黎世仪器的首席执行官兼联合创始人

安全、更安全。尽在量子通信

量子计算机能够提升处理效率的极限。但这也带来了挑战,例如安全通信。20 世纪 90 年代初期,高性能量子计算机首次可以使用算法打破传统的加密算法,打开了潘多拉魔盒。

此后,各种替代加密方法层出不穷。这些加密方法主要有两种。第一种是后量子密码学,这种方法完全融合传统的加密方法,但关键的不同之处在于前者能够免受量子计算机的攻击。这种方法使用的算法基于一个理论假设:目前尚无使用量子或传统计算机的已知有效攻击。

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“安全通信网络已成为先进信息社会中的关键基础设施。”

Falk Herrmann 博士,Rohde & Schwarz Cybersecurity 首席执行官

另一种方法涉及到量子密钥分发 (QKD)。德国联邦信息安全办公室 (BSI) 和美国国家标准与技术研究院 (NIST) 大力推动这一领域的技术创新。当今世界的数字化程度越来越高,私营企业和政府机构更是依赖于可靠的 IT 安全解决方案。

这些创新解决方案改变了密码学领域的研究重点。传统方法和新近开发的后量子方法基于数学假设,认为特定任务无法得到有效的计算。量子密钥分发则以物理原理为基础。

安全分发对称密钥

目标在于安全分发对称密钥。通过光纤电缆等光链路传输数百万个光子(光粒子),可以实现这一点。每个光子都独有随机的量子态。只要试图读取或复制光子,都将改变量子态。QKD 协议经过设计,任何试图观测光子的外部操作都将中断传输,因此能够可靠检测到量子态的变化和每次中断。

首批 QKD 设备主要由物理工作组开发出,而商业化部署已持续数年。Rohde & Schwarz Cybersecurity 在安全解决方案方面具备深厚的专业知识,并在构建和实现安全设备与系统方面经验丰富,积极参与多项研究项目。

"我们利用专业技能协助将量子通信产品从实验室带到外场的实际应用中。"
Falk Herrmann,Rohde & Schwarz Cybersecurity 首席执行官

合作助推创新

除了开发技术之外,与客户交流、积极参加研究组和行业协会同样非常重要。从一开始,罗德与施瓦茨便积极参与多个新兴项目和计划。以下仅列出部分项目:

慕尼黑量子谷

慕尼黑量子谷 (MQV) 计划旨在推动巴伐利亚的量子科技发展,并由德国联邦教育与研究部提供资金。此项目计划建造一个具有至多 100 个量子位的演示器。苏黎世仪器负责为三维集成量子位提供新型高保真读取模式,并实现量子处理器的校准程序自动化。合作伙伴包括 Walther Meißner 研究所、慕尼黑工业大学、弗劳恩霍夫 EMFT 研究所、英飞凌、Kiutra、Parity Quantum Computing Deutschland 和 IQM Deutschland。

https://www.munich-quantum-valley.de/

QSolid

这个项目的目标是建造一个由多代处理器构成的超导量子计算机演示器,这些处理器的性能、尺寸、精度和应用范围各不相同。苏黎世仪器的任务是将量子计算机控制系统集成到量子堆栈,并优化具有高通信带宽的数据传输协议。主要参与的行业合作伙伴包括 Parity Quantum Computing Deutschland、HQS Quantum Simulations、Rosenberger Hochfrequenztechnik、IQM Deutschland、Supracon、Racyics、AdMOS、LPKF Laser & Electronics、Partec、Atotech 和 Atos Information Technology。

https://www.q-solid.de/

OpenSuperQ

这个项目是量子旗舰计划的一部分,后者是欧盟规模最大的宏伟研究项目。OpenSuperQ 旨在设计、建造和操作具有至多 100 个量子位的量子数据处理系统。项目计划为用户提供一个位于中心位置且永久可用的系统。苏黎世仪器负责为多量子位系统开发所有的室温电子设备以及测量和控制软件。主要合作伙伴包括德国于利希研究中心、苏黎世联邦理工学院和瑞典查尔姆斯理工大学。

https://opensuperq.eu/

Botan 加密算法库保障长期安全

Rohde & Schwarz Cybersecurity 携手弗劳恩霍夫应用和综合安全研究所 (AISEC)、柏林工业大学和 Nexenio,共同升级加密算法库以抵抗来自量子计算机的攻击。

https://botan.randombit.net/

OpenQKD

欧盟联合来自 13 个成员国的约 40 位项目合作伙伴,成立专门研究 QKD 的项目组织。这个项目旨在为测试和通信网络建造基础设施,以实现可行的量子密钥分发。未来将开展后续项目,以进一步建设欧洲量子通信基础设施 (EuroQCI)。

https://openqkd.eu/

DemoQuanDT

德国联邦教育与研究部开展此项目,旨在为通信基础设施研究、开发和演示安全的 QKD 网络管理系统。这个项目计划通过量子通信测试线路连接柏林和波恩,并以此进行演示。项目愿景是建立德国线路最长的量子网络。

https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/demoquandt

Quarate

Quarate 项目由德国联邦教育与研究部资助。项目旨在使用量子微波和高级相关方法改进数据采集,从而利用量子优势突破传统雷达技术的极限。项目合作伙伴包括德国航空航天中心 (DLR)、慕尼黑工业大学 (TUM) 和 Walther Meißner 研究所 (WMI)。

https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/anwendungsbezogene-forschung-in-der-quantensensorik-metrologie-sowie-bildgebung/quarate.html