DARPA发起量子通信增强的网络安全革命.docx

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1、DARPA发起量子通信增强的网络安全革命目录1. 序言12. QUANET项目概述23. QUANET项目架构34. QUANET项目技术领域44.1.TA1：量子网络接口卡54. 1.1.TA1硬件和硬件封装75. 1.2.TA1的软件和能力架构76. 1.3.TA1的承研者和项目集成要求71.2. TA2：数据流的量子增强81.3. TA3：拓扑量子增强技术105. QUANET项目阶段和衡量标准116. QUANET项目时间表和里程碑121. 序百DARPA通过QuANET项目将探索如何将量子和经典方法整合到网络中，为关键网络基础设施提供基于量子物理学的安全能力。众所周知，即使是最先进的

2、经典网络，如互联网，也容易受到不断变化的网络攻击的影响。量子网络可以缓解这些漏洞，并通过使用量子特性保护数据。然而，这一解决方案面临的挑战是，当前的各种量子实现方式缺乏凝聚力，导致系统无法协同工作。设想一下，可否融合经典和量子通信的优点，产生一个可扩展、更安全的网络基础设施？美国防高级研究计划局(DARPA)在2023年6月13日宣传推出“量子增强网络”(QUANET)项目，试图借此掀起网络安全革命来解答这一问题。综合DARPA网站发布的信息及QuANET广泛机构公告(BAA),DARPA通过QuANET项目将探索如何将量子和经典方法整合到网络中，为关键网络基础设施提供基于量子物理学的安全能力

3、。QuANET研究人员将专注于将当前和未来的量子网络基础设施(包括硬件和协议)与经典基础设施相结合，目的是提供与国家安全相关的安全能力。DARPA专家估计，通过这样做，他们可以实现量子网络的高效安全和隐蔽性特性与经典网络的普遍性。据DARPA信息创新办公室(120)QUANET项目经理艾莉森奥布莱恩(A11yson0”Brien)博士介绍：“将量子链路整合到经典网络中的一个主要挑战是量子光链路与当今计算机的安全、可配置连接。我们希望让网络和光通信界更加了解量子一一现在的能力在哪里，以及它们的发展方向，我们希望量子网络界更好地了解经典网络所面临的所有复杂性和问题。通过将这两个社区结合在一起，我们

4、也许能够创造一个新的网络范式。”QuANET项目寻求使网络基础设施能够使用以各种方式纳入量子通信的量子系统，并不关注量子密钥分配(QKD)一量子通信的典型应用。此外，量子中继器、交换机和路由器等量子互连也不在初始项目范围内。QUANET项目寻求规模达到城域网的网络的解决方案。关联阅读：QUANET项目广泛机构公告(BAA)2. QUANET项目概述DARPA信息创新办公室(120)正在征集创新研究方案，以开发一个混合的量子经典通信网络架构，使量子增强当今经典网络的安全性和隐蔽性。当前，所有的数字通信范式都使用由一套分层的软件协议组成的网络栈。上层更接近计算机和服务器(通常称为节点)上的应用，而

5、底层则更接近物理实现(即网络电缆)。最先进的网络通常依赖于堆栈顶层的安全，假设这种安全也能减轻对底层的潜在攻击。不幸的是，高级持续性威胁(APT)攻击正在击败许多现有的最先进的能力，增加美国商业和政府实体的网络防御成本。QuANET项目试图用量子特性增强现有的软件基础设施和网络协议，以减轻这些攻击载体带来的负面效应。该项目将通过将现有的“最佳”量子通信能力与目前在军事和关键基础设施中运行的网络相融合来实现这一目标。量子信息将需要与经典信息共存(量子经典互操作性)，包括以下内容：量子时间同步增强了时钟同步任务和飞行时间测试；通讯模式中的量子传感和计量学，以增强对信息传播的情况了解；将经典信息嵌入

6、量子系统，以减轻信息盗窃和数据损坏。QuANET试图创建的硬件进展是一个环境硬化的、可配置的网络接口卡，直接连接量子链接和经典计算节点。这种硬件设计应该扩展经典网络中已有的能力。量子通信的许多研究工作仅仅集中在量子密钥分配上(QKD)oQUANET项目正在寻求开发有利的网络基础设施，以纳入量子通信的使用。混合量子经典网络基础设施将允许广泛的网络和通信专家为QKD之外的技术开发更多用途。本BBA非常不鼓励专注于QKD的提案。QuANET项目的最初设计和开发将集中在将当前的量子能力整合到经典的基础设施中。量子互连，如量子中继器、交换机和路由器，不在本项目的范围内。提案可以描述其方法的模块化，并考虑

7、到未来互连的可能性。QUANET项目寻求的是可以扩展到城域网(MAN)规模的网络解决方案。3. QUANET项目架构QuANET是一个为期51个月的四阶段项目。第O阶段(技术领域1的基础)为期3个月,将专注于量子网络接口卡(qNIC)的设计。第1阶段(基础)为18个月，将集中于qNIC的制造和原型数据流和拓扑结构的开发。第二阶段(方案1)为18个月，将侧重于利用光纤网络，将数据流和拓扑增强功能与制造的qNIC集成。第三阶段(方案2)为12个月，将侧重于光纤、量子增强网络的可扩展性和空中链接扩展的初步设计。第2和第3阶段应作为单独定价的选项提出。政府可根据BAA中规定的指标和里程碑所衡量的技术进

8、展以及资金的可用性，自行决定是否行使选项。被选中的承研者应相互协作。政府已经决定，有必要签订一份联合承包商协议(ACA),以帮助促进信息的公开交流。ACA将有助于确保软件组件、系统架构、设备、数据和其他项目要素之间的完全兼容，以防止不必要的重复工作，并最大限度地整合能力。所有被选中的承研者都将被要求在项目启动会议之前完成其ACAo图IQUANET项目架构4. QUANET项目技术领域QUANET项目将开发技术，使经典网络具有量子通信特性的增强。为了实现这一目标，QUANET将重点关注三个技术领域(TA),如图1所示。TA4是一个政府集成和评估团队。本BAA不为TA4征集提案。TA1将专注于量子

9、网络接口卡(qNIC)的开发、加固和小型化，直接连接量子链接和经典计算节点。该设备必须能够在经典信息的基础上发送和接收量子信息，以及发送和接收量子计时和感应信息。嵌入qNIC的软件预计将在第二阶段开始与TA2和TA3的解决方案整合。TA2将建立算法、协议和软件基础设施，使用量子授时和传感信息来增强经典信息的通信。这些软件工具预计将集成到TCP/IP网络堆栈中。TA2的能力预计将在第二阶段开始在TA1的qNIC上运行。TA3将建立算法、协议和软件基础设施，将量子安全直接通信链接整合到运行TCP/IP的经典网络基础设施中。TA3的能力预计将在第二阶段开始在TA1qNIC上运行。TA4将由政府合作伙

10、伴组成，他们将提供一个集成测试平台和一个单独的测试和评估团队。集成团队将提供一个经典的网络基础设施(节点、双绞线和光缆)，以及支持TA1TA3能力集成的量子链路。政府预计将为TAI、TA2和TA3各授予一个或多个合同。根据本次招标提交的每份提案书可以涉及这些TA的任何组合。涉及多个TA的提案应明确分开，以便政府能够审查并有可能授予单个TA。一个提交多个TA的提议者可能会被选中执行任何提案的TA的组合。4.1.TA1:量子网络接口卡TA1的目标是实现量子链路和经典节点之间互连的标准化。TA1将通过开发一个量子网络接口卡(qNIC)来实现这一标准化。TA1将专注于光子领域的量子化，将qNIC实现为

11、光学NIC的扩展，并增加纠缠发生器和接收器，具有足够的灵敏度来接收量子信息。该设备必须能够在经典信息的基础上发送和接收量子信息，以及发送和接受量子授时和传感信息。在整个项目中，预计将与TA2和TA3的解决方案紧密协调，强有力的提案将描述TA间合作的方法。TodayC1assica1computernodeDecoup1edc1assica1/quantuminterface0Usershaveminima1know1edgeofquantumsystemandcontro1sHigh1yspecia1izedzpre-configuredquantum“B1ackBox”Sing1epurpo

12、sequantum1inkC1assica1computernodeTA1Enab1ingTA2Genera1izab1equantum/c1assica11inkTight1yintegrated,high1yconfigurab1einterface(qNIC)tttutttutUsershaverobustknow1edgeofquantumsystemandcontro1sforsensingandtimingC1assica1computernodeTA1Enab1ingTA3Genera1izab1equantum1inkUsershaverobustknow1edgeOfquan

13、tumsystemandcontro1sforembeddingquantuminformationTA1Objective、七从心推送的防务函图2TA1的目标概述：与目前不同，qNIC的用户将利用强大的接口来实现量子信息的新用途强有力的提案将描述：1 .硬件和硬件封装：(1)量子硬件的互操作性，如光子源和纠缠生成器和接收器o(2)支持与典型的经典计算设备集成的以下包装考虑：环境坚固性(振动、温度等)在整个项目中减少初始尺寸、重量和功率(SWAP).嵌入式软件：qNIC嵌入式软件处理量子数据，并将该数据传递给TA2和TA3算法的操作系统的网络堆栈。该嵌入式软件的应用编程接口(AP1)应描述：(

14、1)可以捕获并传递给网络堆栈高层的量子信息的类型；(2)这些类型的量子信息如何与现有的经典协议数据单位(例如，比特、数据包、以太网帧等)相匹配。强有力的提案将包括对现有网络协议的扩展或新协议的描述。4.11TA1硬件和硬件封装如图2所示，QUANETTA1的承研者将专注于提供一个可配置的量子网络接口卡。预计TA1提案将描述与经典网卡硬件和量子硬件的整合。强有力的提案将描述量子和经典硬件的整合：源，纠缠发生器，发射器，以及带有时间同步硬件的接收器。包括短期量子存储器(记忆缓冲器)和频率转换器的额外模块必须详细描述，并提供实验验证证明。TA1的承研者可以预期在防止信号的重大损失，同时实现TA2应用

15、所需的量子经典复用方面的挑战。最近在时分复用(TDM)和波分复用(WDM)方面的工作表明，这种损失预防是可能的。强有力的TA1提案将解释他们实现共存的方法，以及他们的方法如何缓解qNIC内的重大损失。请注意，后续的图5提供的指标是指预期的源发射吞吐量。强有力的TA1提案将集中在硬件可配置性和环境加固上。虽然SWAP的改进是可以预期的，但它们不应该以牺牲其他项目指标为代价。4.1.2.TA1的软件和能力架构QUANET项目正在寻求一种网络结构，使研究人员能够推进本BAA内描述的各种用途，并实现该技术的未来用例。TA1提案应描述在数据被传递到操作系统的TCP/IP堆栈之前，qNIC上将发生的任何数据预处理。TA1提案应描述qNIC上的嵌入式软件预处理如何实现不同的TA2和TA3用例。TAI解决方案应与一个或多个开源操作系统兼容，例如，在典型桌面系统上运行的1inUX或BSD变体。强有力的TA1提案可以描述新的协议，或对现有的TCP/IP协议数据单元(例如，以太网帧)的扩展，以封装测量的量子信息。TA1提案应描述这些新的协议或扩展将如何与经典的网络协议共存。4.1.3.TA1的承研者和项目集成要求TA1的承研者应具有量子通信硬件、制造定制网络硬件和开发网络接口卡的嵌入式软件的经验。此外，他