量子實驗衞星有何用(中)︰為甚麼需要量子加密通訊?

量子實驗衞星有何用(中)︰為甚麼需要量子加密通訊?
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我們想讓你知道的是

加密通訊在今天並非甚麼新鮮事,為甚麼不少機構會著手研究量子加密通訊?現時的加密法不安全嗎?

作為全球首枚量子科學實驗衞星的「墨子號」,除了會進行長距離的貝爾測試,以滿足物理學家之外(詳見前文),還有另一個重要用途︰嘗試進行衛星與地面之間的量子通訊,為未來建立「天地一體化」的全球量子通訊網絡打下基礎。

坊間不少報導都稱量子通訊是「牢不可破」的加密通訊方式,到底量子通訊為何如此強大?又是否真的絕對安全?據說量子電腦可以破解現時最安全的密碼,跟量子通訊又有甚麼關係?

首先,來一點密碼學吧。

古典加密法極簡介

大家在還是小學生的時候,也許都嘗試過自行創作密碼,而最簡單的一種莫過於「移位式」密碼︰把字句中每個字母換成其後數個字母。例如向後移兩個字母,就能把「CAT」變成「ECV」,或者「I go to school by bus」變成「K iq vq uejqqn da dwu」。

這種密碼有個名堂,叫做「凱撒密碼」(Caesar cipher),以凱撒大帝命名,可謂歷史悠久。不過這種加密方式不難破解,假如其他人知道你用這方法加密,只要有點耐性便能發現訊息內容。

而且,公元9世紀時阿拉伯世界的阿堅迪(Al-Kindi)已寫下破解方法,利用「頻率分析」(Frequency analysis)檢視字母出現數量,就能夠猜出如何解密——這是因為不少語言使用字母的分佈並不平均。例如在英語中最常出現的字母是e,注意到這一點,破解利用凱撒密碼加密的英文訊息會容易得多。

歷史上,研究加密和解密雙方的戰爭互有勝仗,上述的凱撒密碼被頻率分析破解後,陸續出現過不同種類的加密方式,包括維珍尼亞密碼(Vigenère cipher)、波雷費密碼(Playfair cipher)以至二戰時納粹德軍使用的Enigma機等,在此未能一一介紹。

傳送密鑰的問題

加密訊息的基本目標,在於把原本有序的內容打亂,使加密後訊息顯得像亂碼一樣,從而使人截取通訊也得「物」無所用。凱撒密碼的弱點在於,外界只要知道你如何加密訊息,就很快能把答案試出來。因此設計加密法的人後來發明出「密鑰」︰即使用上同一種加密方式,也可以有極大量不同方式把訊式加密/解密,從而令逐個試驗的「暴力拆解」(brute-force)方法變得不切實際。

打個比喻,最簡陋的加密法,就像電影中那些神秘密室——只要找到隱藏的開關,例如是某塊磚頭,按下去就可以把門打開。而用上密鑰的加密法就像門鎖,大家都知道匙孔在哪裏,但只有手持鎖匙的人才能夠打開。

然而以往的密鑰的確跟鎖匙一樣,能鎖上就能打開,所以通訊雙方都需要使用同一個密鑰,才能夠順利溝通。因此,如何能夠確保密鑰安全,就成為了一項影響加密法安全度的問題——而且密碼學家無法處理人為錯誤(像是有人不慎把密鑰弄丟了)造成的安全風險。

另一個尷尬問題則是︰本來就因為通訊渠道不安全,才需要把訊息加密,現在又需要先交換密鑰,不就是有點違反原意?當然,這不等如那些加密法全盤報廢,實際的解決方法往往是以高成本的方法確保密鑰安全(例如派專人運送),以便低成本地傳送訊息(例如用無線電)而不怕竊聽。

40年前的突破

1970年代,密碼學出現一項重大進展︰公鑰加密法面世。

1976年,密碼學家迪菲(Bailey W. Diffie)及赫爾曼(Martin E. Hellman)發表了論文〈密碼學的新方向〉(New Directions in Cryptography),文中描述了後來稱為「迪菲—赫爾曼密鑰交換」的機制,讓加密通訊的雙方能夠在公開的渠道交換密鑰,同時又確保密鑰安全(其安全建基於若干假設,見下文)。兩人更於今年獲得電腦科學界的重要獎項——圖靈獎。

這項發現把交換密鑰的漏洞補上,而且在電腦科技高速發展的年代,把密碼學帶進新紀元。一年後RSA密碼面世,開創了公鑰加密法的研究。在公鑰加密法中,每個人都有兩把密鑰——「公鑰」及「私鑰」,並將公鑰公開(故得此名),假如你要傳訊息及我,就必須用我的公鑰把訊息加密。

公鑰加密法的精巧之處在於,即使人人可以用公鑰把訊息加密,但只有掌握私鑰的我才能夠把訊息解密,這種設計又稱作「不對稱加密法」。由於已有文章介紹「迪菲—赫爾曼密鑰交換」及公鑰加密法的原理,在此不贅,詳見文末連結。

密碼學家的擔憂

雖然公鑰加密法面世40年(期間出現各種公鑰加密演算法)仍被視為最可靠的加密方式,不過密碼學家仍然難以放心。公鑰加密技術的安全,其實建基於個別數學問題難以在短時間內解答,其中一個是質因數分解︰計算907×613並不困難,但如果只拋出答案555991,要找出兩個質因數,往往要逐個質數試除,所需時間遠超計算乘數。(另一個問題是離散對數,有興趣的讀者可以自己找來看。)

公鑰加密法之所以被視為安全,是因為目前破解加密訊息所須時間極長,可能要電腦不斷運行數十甚至數百年才成功。對絕大多數人而言,花費如此言的成本去破解密碼、獲得資訊並不值得。

即使至今未有人找到快速尋找質因數的演算法,那不代表往後沒有——甚至不代表情報部門沒有,畢竟最早的公鑰加密法其實來自英國的情報部門GCHQ,比迪菲和赫爾曼還要早3年,但直到1997年才解密公開。單單是這個可能,已經令密碼學家不得不研究更堅穩的加密方法。


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於5月3日首播的《國際大風吹|行動講堂》直播節目,由李漢威、蔡尚樺聯手主持,與資深媒體人范琪斐對談,除了帶領觀眾一窺全球正面臨的嚴重氣候變遷、迫切的糧食危機,也帶觀眾認識世界展望會在全球各地展開的救援任務,並邀請各界一同付出行動,與世界展望會一起集結眾人之力、力挽狂瀾,守護飢寒交迫的社區家庭與兒童,同時醫治急需挽回的自然環境。

人類生活正備受考驗,而此刻的我們仍有機會扭轉命運。

全球氣候變遷,引發嚴峻糧食危機

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的報告,目前全球約有40%人口受到氣候變遷的影響,且約有33~36億人正生活在極易受到氣候變遷衝擊的環境中。當全球氣候變遷日益嚴重,人類與其依存的生態系統所要承擔的風險也就愈來愈高。

而全球極速暖化、氣候變遷帶來的極端氣象,也引發物種滅絕、蟲媒傳染病、生態系統崩潰、致命熱浪、缺水和農作物減產等後果。事實上,在NASA最新的研究也表示,最快在2030年,氣候變遷就會影響全球玉米和小麥的生產;而這項結論,也呼應了聯合國IPCC發布的《氣候變遷與土地報告》。如果不採取有效的因應措施,到了2050 年,氣候變遷將導致全球糧食產能下降5~30%。

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研究指出,一旦全球升溫達攝氏2度,將有18%的陸地物種要面臨滅絕風險;而升溫攝氏4度時,恐怕有50%的物種將受到威脅,且如此衝擊在未來數百年內,幾乎不可能逆轉。

當家庭受困於飢餓,最大的受害者竟是兒童

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目前,全球約77億人口當中,即有8.11億人營養不良,以及有1.61億人的糧食不安全。尤其,新冠肺炎爆發至今,遭逢飢荒危機的人數增加了6成,包括43國家有飢荒考驗,以及4,500萬兒童處於嚴重的營養不良;其中,更有45%的5歲以下兒童因此死亡。

氣候變遷導致乾旱造成農作物歉收,或是洪水沖毀農作物及房屋,導致資源更少,導致部落間及國家間為了爭奪資源而爆發衝突。更令人難過的事實是,兒童是對氣候影響最小的族群,卻是氣候變遷下的最大受害者。

由於在家庭生計捉襟見肘時,某些脆弱地區的家長,往往將童婚視為撫養子女的唯一辦法;此外,還可能迫使兒童從事危險的勞動工作以協助生計,卻讓他們處於剝削和虐待的嚴重危機。家庭暴力、人口販賣、童婚以及童工問題等,種種暴力不但嚴重影響脆弱兒童的身心狀況,也剝奪了兒童的基本權利與未來前途。

此外,來賓范琪斐也強調,氣候難民、飢餓危機已是現在進行式,且正在擴大蔓延中。當災難發生,首當其衝的是弱勢國家、弱勢人民,以及老弱婦孺等弱勢族群。這些處於社會底層的弱勢兒童,背負著悲慘命運,令人不忍卒睹。然而,除了感到悲痛沈重以外,我們也要知道自己是有能力做出改變行動的人。

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世界展望會人道救援三大策略-緊急回應、調適、減緩

「一個地區的糧倉受到影響,生活在地球村的每一個人都必須共同承擔。」氣候變遷造成的毀滅性後果,迫使流離失所的人數創歷史新高,全球正在與本世紀最嚴重的飢餓危機抗戰,而你我都肩負起一定的責任。

例如:人道救援第一線的世界展望會,總是在第一時間搶救因遭受氣候變遷影響的區域和家庭,並針對緊急程度分別訂定短、中、長期的執行策略,恢復家庭與社區生活的韌性,提升居民災變的應變力與經濟彈性,以及促進兒童的長期福祉與發展。具體來說,世界展望會三大行動策略,包括:

  1. 緊急回應:世界展望會首先提供挽救生命的急迫性服務。例如:供給糧食、臨時居住所、乾净飲用水、簡單醫療設備,以及心理支持。
  2. 調適:世界展望會與當地社區一同尋求能有效減少氣候變遷危害的策略和措施,以事先預防的措施,減少損害、提升韌力,並開發有益當地生計的機會。
  3. 減緩:主要是針對溫室氣體減量,規劃長期措施。例如:透過減少排入大氣中的溫室氣體,或將溫室氣體以吸收儲存的方式,降低大氣中溫室氣體的濃度含量,以推遲、甚至避免氣候變遷發生,降低全球氣候變遷所帶來的衝擊。例如:在世界展望會的宣導下,當地居民改為使用低耗能爐具,取代傳統用大量燒木頭;或是運用生質沼氣煮飯系統,善用農業廢棄物、動物糞便產生沼氣,進而轉化成燃料,減少多於碳排。另外,世界展望會也會幫助地區建設太陽能等再生能源。
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過去十年,世界展望會推行的「自然再生法」(FMNR,farmer-managed natural regeneration)幫助了超過百萬公頃亞非地區再生土地,有600萬人因為FMNR增加農穫,遠離飢餓。

若不立即作出改變行動,災難將迅速蔓延至全球各個角落,別等到發生到我們身上時,才後悔莫及。

為孩子迎戰氣候變遷!飢餓三十救援專線:(02)8195-3005 即刻救援動起來


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關於《國際大風吹|行動講堂》

由《國際大風吹》李漢威、金鐘主持人蔡尚樺聯手主持,每集《國際大風吹|行動講堂》直播節目將邀請重磅來賓,帶大家深入淺出、探討急需人們重視的國際議題,並呼籲各界付出實際行動,向需要幫助的人伸出援手,展開即刻救援。


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