量子通信网络的实际应用

## 视频 <video src="https://dev-media.amazoncloud.cn/30-LibaiGenerate/31-LiBaiRebrandingVideo/QTC204-Practical_implementations_of_quantum_communication_networks-LBrebrandingWCaptionCN.mp4" class="bytemdVideo" controls="controls"></video> ## 导读 量子网络可实现广泛的用例，如可证明的安全加密、改进的传感和测量，甚至分布式量子计算。具有前瞻性思维的公司已经在探索利用商用设备构建量子网络的应用和用例。在本环论坛，您将聆听专家介绍如何部署抗量子网络。探索概念验证演示，以及科学家们如何开发将商用现成量子密钥分发系统连接到多供应商和多站点网状网络所需的基础设施。 ## 演讲精华 <font color = "grey">以下是小编为您整理的本次演讲的精华，共1600字，阅读时间大约是8分钟。如果您想进一步了解演讲内容或者观看演讲全文，请观看演讲完整视频或者下面的演讲原文。</font> 此次演讲首先阐述了会议的主题，即探讨亚马逊云科技在量子技术领域的发展与应用。演讲者Granston详细讲述了亚马逊云科技的四个主要研究方向。这些方向包括亚马逊云科技量子计算中心，该中心与美国加州理工学院合作，致力于设计和制造实际的量子计算机，涵盖硬件架构和经典控制系统；此外还有[Amazon Braket](https://aws.amazon.com/cn/braket/?trk=cndc-detail)，这是一项量子计算服务，用户可以根据需求访问来自第三方供应商如D-Wave、IonQ和Rigetti的量子处理器。Braket还提供了量子处理单元、完全托管的量子模拟器、用于混合量子-经典工作负载的SDK以及其他云端算法功能。" "除了上述两个研究方向外，Granston还提到了亚马逊云科技量子网络中心和亚马逊量子解决方案实验室。前者是一个内部研究小组，负责设计和建立量子通信网络以及所需的专用硬件和协议。他们还与其他公司如Verizon在尖端原型上进行合作。后者则是一个专业服务团队，专注于使用量子和其他新兴技术解决客户需求。量子解决方案实验室拥有量子计算、网络、[机器学习](https://aws.amazon.com/cn/machine-learning/?trk=cndc-detail)和经典优化等领域的专家，他们采用适合每个应用场景的混合方法。量子解决方案实验室与亚马逊云科技中心合作，将新兴技术应用于跨行业和垂直领域的客户需求。" "在讨论量子网络的关键方面时，Granston明确了量子计算和量子网络之间的区别。尽管两者都利用了量子物理原理，但量子计算关注于信息处理和运行诸如Shor's算法等算法以进行因子分解，而量子网络则侧重于使用量子特性安全地传输信息。一个重要的应用是量子密钥分发，它可以为希望安全通信的两个远程实体生成共享的秘密密钥。 格兰斯顿详细阐述了量子计算机如何对现有的RSA和椭圆曲线密码学方案构成潜在威胁。利用诸如肖尔算法等技术，量子计算机能够高效地破解这些方案背后的数学难题。这意味着，未来的某一天，量子计算机可能能够解密使用这些经典加密方法保护的顶级机密信息。 尽管我们尚未拥有足够强大的量子计算机，但目前加密的信息在未来可能会被破解。格兰斯顿强调，这主要是对那些需要长期保护的信息的担忧，例如政府机构通常具有数十年的安全需求。金融机构和医疗保健公司在长期数据保留的场景中也可能面临类似的担忧。为了解决这一问题，量子密钥分发技术可以在不引发警报的情况下分发密钥，从而确保信息在未来的量子攻击中保持安全。 目前，格兰斯顿的同事，来自亚马逊云科技量子网络中心的量子密钥分发专家赛勒斯·普罗克特正在介绍量子密钥分发的概念。赛勒斯开始探讨现有存储的数据、潜在的解密威胁以及量子密钥分发如何有效应对这些问题。 他简要解释了量子密钥分发的工作原理。参与者分为爱丽丝和鲍勃，爱丽丝负责准备表示密钥的量子比特（qubits）并将其发送给鲍勃。这些量子比特通常是单光子。鲍勃对其接收到的光子进行测量。爱丽丝和鲍勃通过已认证的公共通道以经典方式进行通信，讨论他们的测量结果并提取共享的秘密密钥。 量子信息的一个关键特点是，对其进行测量会破坏其状态。这意味着，如果窃听者如伊芙试图拦截并测量量子比特，她将会引起爱丽丝和鲍勃在经典通信阶段可以察觉的可疑变化。量子力学定律使得窃听者无法完美复制未知的量子状态。因此，量子密钥分发为爱丽丝和鲍勃提供了一种经过验证的安全可靠的密钥共享方式。 自20世纪80年代起，量子密钥分发就引起了研究者的关注，如今商业系统已有大约20年的历史。这些设备通常以1到3个机架单位的机架安装盒形式出现，并通过标准电信光纤电缆进行点对点连接。尽管目前最大传输距离约为150公里，受限于光纤损耗，但扩大规模的途径在于构建一个可信节点网络，通过在加密的经典通道上以加密方式在它们之间转发多个密钥对。 在接收端，可以使用如思科、瞻博网络和ADVA等供应商提供的专用加密设备来摄入量子密钥，并与经典生成的密钥一起在混合加密方案中使用。例如，可用于IPsec VPN、MACsec和光学传输网络的硬件加密器。由于大多数制造商已支持通过API导入外部生成的密钥，故集成过程相当简单。 亚马逊云科技和Verizon共同建设了一个多站点、多供应商量子网络，位于波士顿地区的四个站点，相距约55公里，通过部分网格拓扑的五个光纤链路相互连接。这些站点包括亚马逊云科技和Verizon的办公室、数据中心以及各种托管中心。网络中部署了来自ID Quantique、QuantumCTek和Quantum Xchange等多个供应商的四种不同类型的量子密钥分发设备，采用点对点配置。 亚马逊云科技的服务器运行自定义软件，负责连接设备和实现互操作性的密钥管理层。Outposts在内部提供亚马逊云科技的计算和存储服务，易于与QKD设备集成。服务器会将每个链路的密钥分为1000个分区，每个分区最多可持有16,256位密钥。他们会根据需要转发密钥，确保所有站点间的无缝连接。例如，思科路由器等IPsec加密器会使用量子密钥来加密VPN隧道，以及与经典生成的密钥一起使用。 量子密钥分发网络现在已经具备了商业可行性，并在小型化、性能（例如150公里距离）和提高密钥生成速率方面取得了显著进步。 - 与经典网络基础设施（如加密器和光纤电缆）的集成使得实际部署成为可能。 - 标准机构正努力提供不同供应商设备的互操作性。 - 运行状况在改善，但仍然需要在生产环境中实现五个9（99.999%）的可靠性预期。 亚马逊云科技与Verizon之间的合作这类协作为我们带来了宝贵的经验，并推动了生态系统的持续发展。 展望未来，我们的目标是借助量子中继器、卫星以及其他长距离传输技术方面的创新，实现全球互联的量子互联网。 在演讲的最后部分，亚马逊总结了其在量子技术领域的四大支柱，包括亚马逊量子计算中心、[Amazon Braket](https://aws.amazon.com/cn/braket/?trk=cndc-detail)、亚马逊量子网络中心和亚马逊量子解决方案实验室。格兰斯顿强调，亚马逊量子解决方案实验室能够协助金融、政府和制药等行业客户探讨潜在应用，以及将量子和其他新兴技术应用于解决业务问题。 总的来说，这次会议为我们提供了一份关于量子网络和量子密钥分配的简明介绍，阐述了它们的优势以及目前的开发进展，并通过实际操作原型网络的经验分享了见解。演讲者向我们展示了量子通信网络的实用性及其未来的潜力，同时强调了量子技术向商业解决方案转化的迅速进步。 **下面是一些演讲现场的精彩瞬间：** 领导者们讨论了亚马逊云计算公司在量子技术领域的研究进展以及参会者们如何应用自身的量子解决方案。  亚马逊云计算公司正致力于研发量子技术，以应对日益增长的量子计算机对网络安全的挑战。  威胁时间表揭示了发展具有密码学关联的量子计算机所需的时间，这种计算机有可能在远低于预期使用寿命的时间内破解数据。  量子不可克隆定理有效地阻止了窃听者在即便具备无限计算能力的情况下复制量子信息。  在量子密码学中，爱丽丝和鲍勃利用经典的通信渠道进行关键提炼，这使得光子能够在有限的距离内实现点对点传输。  亚马逊云计算公司已经开发了一系列软件模块，使得链路加密能够轻松地纳入量子密钥，从而实现站点间的安全通信。  量子密钥分发的未来前景十分乐观，预计在未来几年内将会有令人振奋的突破。  ## 总结 量子计算机可能对现有的加密系统构成威胁，而量子密钥分发技术则提供了一种解决该问题的方法。这种技术利用量子物理原理，以无法被拦截的方式进行密钥传输，从而实现安全的关键交换。为了验证其实际应用，亚马逊云科技与Verizon共同构建了一个包含多个站点和供应商的量子网络。他们使用了来自不同供应商的商用现成的量子密钥分发设备，并通过可信节点进行配置。亚马逊云科技的边缘计算层实现了供应商间的互操作性，并在整个网络中分布密钥。这些加密设备用于通过VPN隧道消耗密钥。通过中断一条链路演示了边缘计算层如何保持密钥的可用性。由于更大的缓冲区设计，这可以防止隧道故障。量子中继器的引入将使得长距离的量子网络变为可能。随着量子设备的微型化、性能的提升，以及量子基础设施和卫星网络的扩展，量子互联网的发展将得到推动。 ## 演讲原文 ## 想了解更多精彩完整内容吗？立即访问re:Invent 官网中文网站！ [2023亚马逊云科技re:Invent全球大会 - 官方网站](https://webinar.amazoncloud.cn/reInvent2023/?s=8739&smid=19458 "2023亚马逊云科技re:Invent全球大会 - 官方网站") [点击此处](https://aws.amazon.com/cn/new/?trk=6dd7cc20-6afa-4abf-9359-2d6976ff9600&trk=cndc-detail "点击此处")，一键获取亚马逊云科技全球最新产品/服务资讯！ [点击此处](https://www.amazonaws.cn/new/?trk=2ab098aa-0793-48b1-85e6-a9d261bd8cd4&trk=cndc-detail "点击此处")，一键获取亚马逊云科技中国区最新产品/服务资讯！ ## 即刻注册亚马逊云科技账户，开启云端之旅！ [【免费】亚马逊云科技“100 余种核心云服务产品免费试用”](https://aws.amazon.com/cn/campaigns/freecenter/?trk=f079813d-3a13-4a50-b67b-e31d930f36a4&sc_channel=el&trk=cndc-detail "【免费】亚马逊云科技“100 余种核心云服务产品免费试用“") [【免费】亚马逊云科技中国区“40 余种核心云服务产品免费试用”](https://www.amazonaws.cn/campaign/CloudService/?trk=2cdb6245-f491-42bc-b931-c1693fe92be1&sc_channel=el&trk=cndc-detail "【免费】亚马逊云科技中国区“40 余种核心云服务产品免费试用“")