科技進展
    2019年10月，美國穀歌研究團隊在量子計算領域取得重大突破，對密碼領域產生巨大衝擊。量子計算機通過暴力破解方式，可以在短時間內破譯密碼，使得信息加密宛如一張薄紙失去作用。縱觀人類曆史，可以發現加密與破譯就像矛與盾的關係一樣永恒對立。那麽我們不禁提出疑問，是否有一麵不可攻破的“盾”，存在絕對安全的加密呢？
    其實，我們首先明確三個概念：加密前的信息稱為明文；用於加密的信息稱為密鑰；加密後的信息稱為密文。
    2016年，我國發射了世界首顆量子衛星——“墨子號”，使得量子密鑰技術走入大眾視野。量子密鑰技術本質上是一種利用光子的量子屬性並結合“一次一密”方法的密碼技術。量子密鑰主要借助了量子的兩種屬性：一是從原理上無法準確預測出光子的偏振方向（即密鑰），這讓竊聽的內容變得不準確，同時可產生我們想要的隨機序列；二是測量行為本身會改變光子的狀態，竊聽者想要竊聽密鑰分發過程，就要對光子進行測量，而一旦產生測量就會改變光子狀態。合法接收者處的數據會因此變得混亂，竊聽者就會“原形畢露”。密鑰分發問題得到了解決，同時“一次一密”又是理論上不可破譯的。因此，可以認為量子密鑰技術是一種絕對安全的技術。但是，量子密鑰技術在現實應用中存在許多問題。
    首先，其晦澀難懂的量子物理特性較難被普通大眾所理解，入門門檻過高。其次，量子衛星是光通信，易受其他光源的影響。通常量子衛星隻能在夜空晴朗且月光較暗的情況下與地麵通信，通信條件過於苛刻，在那些實時不中斷的通信場景中較難得到應用。最後，量子衛星在與地麵觀測站通信後，需要借助一條地麵專用的光纖網傳輸到目的通信地點，而鋪設大規模的光纖傳輸線路成本過高，實現存在較大困難。
    對量子密鑰技術進行深入探究，不難發現量子雖然可生成想要的隨機數，但中間的密鑰分發因為有人工參與仍然過於複雜，難以實際應用。那麽，是否存在一種由自然環境內生的“一次一密”密碼技術，其從密鑰產生到密鑰分發都來自於環境本身呢？
    基於無線物理層信道密鑰（簡稱信道密鑰）生成，是近年來興起的一種密碼技術，因其信道密鑰生成和分發隻借助無線通信環境內生屬性，不需要第三方的幫助，受到學者們的廣泛關注。
    眾所周知，無線通信是通過電磁波進行信息傳輸的。電磁波從發送方到接收方的傳播路徑，被稱為無線信道。電磁波在傳播過程中，由於受傳播路徑上障礙物等環境條件影響，會發生反射、折射、漫射等現象，因此無線信道狀態信息是時刻在變的（時變性）。同時，由於收發雙方觀測到的無線信道特征是相同的（互易性），所以收發雙方的信道狀態信息是相同的。
    至此，我們考慮一下，竊聽者能否獲得與收發雙方相同的信道狀態信息呢？經過剛剛的介紹，可以知道無線信道狀態與電磁波傳播路徑有關。那麽隻要竊聽者與接收者不在同一個位置，顯然發送者對二者的傳播路徑是不同的，也就是說竊聽者與收發雙方的信道狀態信息是不同的（不相關性）。
    基於以上三點特性，“一次一密”以無線信道狀態信息為密鑰是可行的。首先，時變性保證了每次加密時的密鑰是不同的；其次，互易性保證了收發雙方用相同的密鑰進行加解密；最後，不相關性保證了竊聽者無法獲得需要的無線信道狀態信息，使得密鑰分發是安全的。
    信道密鑰由無線通信環境內生，又因無線通信環境特性無需添加人工的密鑰分發過程，是一種真正意義上環境內生的“一次一密”技術。同時，經過各國科學家對電磁波的多年研究，其理論完整且清晰，易於常人理解。最後，信道密鑰技術無需改變現有的通信協議，也無需額外增加硬件資源，是一種輕量級的密碼技術，因此，可以在無線通信設備中大規模應用。
    無線物理層信道密鑰是一種環境內生的“一次一密”密碼技術，其理論上不可攻破，可謂是一麵堅不可破的“盾”。隨著5G技術的普及，萬物互聯時代的到來，無線通信安全迫切需要這樣一麵“盾”。相信這種環境內生安全技術會在未來大放異彩。
    （作者任職於信息工程大學）



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