移動支付存在安全隱患 量子加密技術為其保駕護航

導讀

隨著物聯網、智能硬體、移動支付、車聯網等新興技術的發展，安全問題愈發受到大眾關注。然而，量子技術發展，使得安全加密變得更加的牢不可破。最近，英國牛津大學的研究人員開發了一種新型量子加密系統，不僅具有高度的安全性和數據傳輸率，而且有望小型化後應用於移動設備。

移動支付安全

近些年來，移動支付發展的十分迅速。國外的 Apple Pay、Samsung Pay，國內的 Huawei Pay 和 MI Pay ，都利用了近場通信 NFC 技術，進行手機和終端設備之間的通信，完成支付過程。

然而，人們在體驗到便捷的同時，也對安全表示擔憂。有一個很重要的問題：

在支付過程中，我們的金融賬戶信息是否會受到網路攻擊的威脅？

然而，很明顯網路攻擊無處不在，各種各樣的形式，有針對通信過程的，也有針對硬體和軟體的。為此，許多NFC廠商都紛紛推出了安全認證和加密解決方案。但是，加密技術在發展，駭客攻擊的方式也在隨之發展。所以，隨著計算機變得更加的快速和強大，加密後的代碼仍然有可能被駭客輕鬆破解。

量子加密

量子技術，為科技發展帶來了新曙光。量子加密技術，正如之前《激光技術帶來超快超安全的量子加密》這篇文章中所介紹的：

它是通過在由激光產生的光子和光量子中隱藏的信息，通過量子力學機制隨機生成密鑰，從而保證「牢不可破」的安全。發送者A，通過極化光子，在不同方向上發送密鑰。接收者B，使用準確的量子探測器，在正確的順序下接收密鑰。

量子加密的優點是，如果攻擊者嘗試攔截 A 或者B 的信息，由於量子力學屬性：測量它們的行為會改變測量對象。所以密鑰本身會發生變化，從而保證了量子加密的高度可靠性。

創新方案

對於量子加密設備研究，科學界一直都十分投入。我之前也介紹過一種「光子集成電路」，它也是一種小型化的量子加密技術，能夠應用於手機、平板電腦等移動設備。

最近，英國科學家們又研發了一種「量子加密原型設備」，讓手持設備和終端設備進行通信時，發送的密鑰「牢不可破」。該技術的論文發表於光學會所屬的雜誌《光學快報》。

（圖片來源於：牛津大學）

它實現了量子密鑰傳輸機制，可在高數據率條件下，保證數據的安全性。同時，由於在支付過程中，人類手部會難以避免地發生抖動，該方案可以對於抖動帶來的不穩定進行補償。該原型系統使用「超高速LED和可移動的鏡子」，發送密鑰的速率超過30Kbps，距離可達0.5米。

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本文作者之一、牛津大學的 Iris Choi 認為，「我們的想法在於，這種小配件可能是一種移動的物體，它可以和固定的物體通信。」

例如，如果手機集成該設備，就能夠和近場通信移動支付系統、室內Wi-Fi網路等進行安全鏈接。另外，它也有利於提升ATM設備的安全性，防止ATM攻擊帶來的巨大經濟損失。

核心技術

（圖片來源於：牛津大學）

量子密鑰分發系統

「量子密鑰分發系統」，是這項技術的一個關鍵。它基於單光子表示比特（1或者0）的特性，從而設計出可加解密信息的量子密鑰，且具有極高的安全性。

量子加密為什麼可以如此安全，Choi 這麼解釋說：

「當竊聽者嘗試進入信道的時候，它將改變密鑰的內容。我們並不是說這項技術可以阻止竊聽，但是如果你進行竊聽，我知道你在那裡。」

這個系統含有六個諧振腔LED，它們發出交疊頻譜的光線。每個LED發出的光線都會通過過濾，形成不同的偏振，分成不同的配對，分別代表1或者0，例如水平或垂直、對角或反對角，左旋圓或右旋圓。

這種圓偏振的LED為密鑰提供量子比特，其他的配對則用於測量通道的安全性和進行錯誤校正。每四納秒，其中一個通道就會以隨機的形式提供一種一納秒的脈衝。在另外一端，有六個極化接收器會接收來自它們配對的LED的光線，並且將光子轉化為密鑰。

如何保證潛在的入侵者無法獲知哪個信道具有哪種偏振？

這一點十分重要，因為如果入侵者一旦了解相關信息，就會暴露出發送的比特。但是，每個LED產生的光波都會發生輕微的變化，所以這樣它們就可以被區分出來，並且為駭客破解代碼提供了途徑。

為了解決這一問題，研究人員同時給發射器和接收器裝有過濾器，用於選擇部分光線，這樣無論它們產生何種偏振，都會發出同樣的顏色。

光束轉向系統

量子密鑰必須足夠長，從而保證入侵者無法通過簡單的隨機猜測的辦法，對其進行破解。這樣就需要系統可以在一秒鐘之內，可以發送大量的比特信息。然而，完成這樣高的數據傳輸率，需要大部分的光子可以到達它們應該到達的地方。

所以，Choi 認為，該原型設備的另外一項核心科技就是「轉向系統」。

即使有人嘗試去完美地掌控該設備，但他們的手部仍然會發生稍稍抖動。團隊研究了人們嘗試研究他們穩定握住激光指示器時光點發生的抖動，並且測量了這種抖動。然後，他們優化了光線轉向系統的組件設計，例如帶寬和視野，用於補償這種手部抖動。

為了幫助檢測器和發射器對齊，進一步糾正手部抖動，接收器和發射器都會具有一種明亮的LED，我們將它比作為燈塔，它和進行密鑰分發的LED具有不同顏色。在另外一端的定位感知檢測器，會監測燈塔的確切位置，然後移動微機電系統（MEMS）鏡子，以將入射光線和檢測器的光纖對齊。

應用領域

研究團隊通過現有設備製成的手持原型機，測試了這個方案。Choi稱，這個設計很有可能進行簡單地小型化，讓系統變成變成例如手機的使用組件，諾基亞就有參與它們的研究。

未來，科學家們力爭保持使用同樣的硬體，提升協議性能，增加數據傳輸率，並且讓設備工作在更遠的距離下，例如連接Wi-Fi集線器。

參考資料

【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/quantum_key_system_could_make_mobile_transactions/

【2】H. Chun, I. Choi, G. Faulkner, L. Clarke, B. Barber, G. George, C. Capon, A. Niskanen, J. Wabnig, D. O』Brien, D. Bitauld, 「Handheld free space quantum key distribution with dynamic motion compensation,」 Opt. Express., Volume 25, Issue 6, 6784-6795 (2017). DOI: 10.1364/OE.25.006784.

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