📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 9周: 🤖 AI-native Network：RAN × Core × NTN 的智慧大腦
未來 6G 的核心章節
89／150單元： 量子通訊 × PQC 🔐 抵禦量子攻擊
6G 的安全底線：不能被量子電腦破解的行動網路
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🎯 單元導讀
量子電腦一旦成熟，會直接摧毀所有 5G/6G 的安全協定，包括：
✔ RSA
✔ ECC（橢圓曲線）
✔ Diffie-Hellman
✔ Curve25519（TLS 常用）
因為：
⭐ Shor’s Algorithm（量子演算法）可在多項式時間破解大數分解與離散對數。
也就是：
📌 目前 90% 的網路安全都會被量子電腦秒破解。
因此 6G 的通訊安全必須進入兩條路線：
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⭐ ① PQC（Post-Quantum Cryptography）
→ 用「數學上量子電腦也破解不了」的演算法保護通訊
⭐ ② QKD（Quantum Key Distribution）
→ 用量子態本身傳鑰匙，被窺探就會被發現
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這一單元會幫你完整理解：
• 什麼能被量子破解
• PQC 為什麼安全
• QKD 能做什麼，不能做什麼
• 手機與衛星怎麼部署
• 6G AI Security 如何自動對抗量子攻擊
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🧠 一、量子威脅：哪些密碼學會被毀滅？
量子電腦能用 Shor’s Algorithm 直接摧毀：
• 大數分解（Integer Factorization）
▸ 代表演算法：RSA
▸ 量子世界下：❌ 被 Shor 演算法快速破解（等同秒殺）
• 離散對數問題（Discrete Logarithm）
▸ 代表機制：Diffie-Hellman（DH）
▸ 量子世界下：❌ 同樣被 Shor 演算法破解
• 橢圓曲線密碼學（ECC / ECDH）
▸ 特色：以較短金鑰提供高安全性
▸ 量子世界下：❌ 安全性完全失效
• Curve25519
▸ 應用：WhatsApp、Signal 等即時通訊金鑰交換
▸ 量子世界下：❌ 仍屬 ECC 類，無法抵抗量子攻擊
• TLS 公鑰交換（RSA / ECDHE 為主）
▸ 現況：約 99% HTTPS 依賴傳統公鑰機制
▸ 量子世界下：❌ 現行公鑰交換全面崩潰，需遷移至 PQC
📌 核心觀念一句話：
量子電腦不是「加快破解」，而是「改變數學前提」，凡建立在因數分解與離散對數上的公鑰密碼，在量子世界中全部失效。
這是 6G 必須及早部署 PQC 的原因。
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🧠 二、PQC（抗量子密碼）是什麼？為何量子電腦也破解不了？
PQC 是一群「連量子電腦也不能有效解」的密碼系統。
NIST 已於 2022–2024 正式選定 PQC 標準：
• 格狀密碼（Lattice-based）⭐ 最重要、主流方向
▸ CRYSTALS-Kyber（Key Exchange / KEM）
- 特性：效率高、金鑰尺寸可接受
- 定位：⭐ 6G / 未來通訊公鑰交換主力
▸ CRYSTALS-Dilithium（Digital Signature）
- 特性：速度快、實作成熟
- 定位：⭐ 行動裝置、手機、TLS 簽章主流
▸ SABER
- 特性：同屬格狀架構，實作簡潔
- 定位：Kyber 的替代／備選方案
• Code-based 密碼
▸ Classic McEliece
- 特性：安全性極高、歷史最久
- 缺點：❗ 公鑰尺寸非常大
- 定位：高安全需求、非行動裝置場景
• Hash-based 密碼
▸ SPHINCS+
- 特性：僅依賴雜湊函數，理論最安全
- 缺點：❗ 簽章慢、資料量大
- 定位：最高安全等級、非即時系統
📌 一行總結（超考點）：
未來 6G 與行動通訊的 PQC 核心是「格狀密碼」，其中 Kyber 管交換、Dilithium 管簽章。
其中 6G 目前最會採用：
⭐ Kyber（做金鑰交換）
⭐ Dilithium（做身份驗證）
因為：
• 安全性高
• 效能高
• 適合手機、gNB、衛星
• 鑰匙不大、封包不會爆炸
• 3GPP Rel-19 也開始導入 PQC
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🧠 三、QKD（量子鑰匙分發）是什麼？能做什麼？不能做什麼？
QKD 用量子態來傳輸「鑰匙」，最大特點：
⭐ 一旦被窺探 → 會立刻被偵測
⭐ 安全來自物理，不是數學
典型技術：
• BB84 protocol
• E91
• 量子糾纏分發
限制也非常大：
⚠ 不能傳一般資料
⚠ 只能傳「鑰匙」
⚠ 光纖距離短（< 100 km 無中繼）
⚠ 衛星 QKD 成本極高
⚠ 無法取代現有 5G/6G 的封包交換架構
所以 6G 的策略是：
⭐ PQC = 主力
⭐ QKD = 部分 backbone、政府、國防使用
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🧠 四、6G NTN × PQC：衛星也要抗量子
LEO 衛星也會面臨量子攻擊。
衛星 → 地面 → UE 的完整流程會變成：
UE ←→ NTN-gNB (LEO/HAPS)
|
| PQC (Kyber) 金鑰交換
|
Gateway
|
6G Core (PQC + QKD backbone)
此示意圖說明在 6G NTN × 後量子密碼（PQC） 架構下，衛星通訊同樣必須具備抗量子能力：使用者設備（UE）先與具備 NTN-gNB 功能的 LEO／HAPS 進行連線，雙方以 PQC（如 CRYSTALS-Kyber）完成金鑰交換，確保即使面對量子電腦也不會被破解；資料再經由 Gateway 落地，進入採用 PQC 與 QKD 強化骨幹安全 的 6G Core，形成從空中到地面、從接取到核心皆具 量子安全性的端到端通訊流程。
也就是：
⭐ 手機要支援 PQC
⭐ NTN 衛星要支援 PQC
⭐ Gateway 必須能與 Core 做 PQC + QKD
SpaceX、Huawei、NTT 都已經開始做 LEO+QKD hybrid backbone。
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🧠 五、AI 如何協助量子安全？（AI-native Security）
6G RAN/Core 的 AI 智慧模組會：
✔ ① 自動判斷是否遭遇量子攻擊
（封包特徵＋交換協定異常）
✔ ② 自動切換 PQC 演算法
（Kyber → McEliece → Hash-based）
✔ ③ 自動替換加密鑰匙（AKMA × PQC-HN)
✔ ④ 自動調整封包大小、MTU、延遲預算
未來 6G Security 會由 AI 驅動，而不是人工配置。
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🔭 六、ASCII 圖：6G 量子安全架構
🛰 LEO / HAPS
| \
| \
| PQC 加密
v
🏞 Gateway
|
QKD Backbone ==== 6G Core ==== PQC Key Mgmt
|
UE (PQC)
此 ASCII 示意圖描繪 6G 量子安全通訊架構：空中的 LEO／HAPS 節點在接取層即採用 PQC 加密機制 與地面建立安全通道，訊號經由 Gateway 落地後，進入結合 QKD（量子金鑰分配）骨幹 與 PQC Key Management 的 6G Core，形成核心網層級的量子安全金鑰體系，最終確保 UE 與核心網之間的端到端通訊 在未來量子攻擊環境下仍具備長期安全性。
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🧩 七、模擬題
1️⃣ 專業題
為什麼 ECC 在量子電腦時代會被破解？
📦 答：因為 Shor’s Algorithm 能在多項式時間內解離散對數問題。
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2️⃣ 應用題
以下哪個 PQC 演算法最可能成為 6G 標準？
A. RSA-4096
B. CRYSTALS-Kyber ✔
C. DES
D. AES-64
解析:
6G 標準需具備抗量子能力與高效率，CRYSTALS-Kyber 屬於格狀型 PQC，已被視為未來通訊金鑰交換的主流選擇。
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3️⃣ 情境題
衛星連接 backbone 時為何需要 PQC？
A. 衛星太遠
B. 鑰匙容易掉
C. 截收者可在太空截取封包 ✔
D. Starlink 太亮
解析:
衛星骨幹為開放的空間傳輸環境，封包可能被長期截收並於未來以量子電腦破解，因此必須採用 PQC 來確保長期通訊安全。
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🛠 八、實務演練題（工程級）
1️⃣ 模擬 Kyber 與 ECC 在 CPU 上的加解速度比較
2️⃣ 實作 PQC 握手流程（UE ↔ gNB ↔ Core）
3️⃣ 建立 QKD 鑰匙 → PQC 流量保護的 Hybrid 模式
4️⃣ 在 NTN 模擬 PQC 封包對延遲的影響
5️⃣ 設計 AI 偵測「量子攻擊」的封包異常模型（Transformer-based）
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✅ 九、小結：6G 一定會是量子安全網路
✔ ECC/RSA 全部會被量子電腦破解
✔ PQC（Kyber/Dilithium）是 6G 主力
✔ QKD = 高安全 backbone，不適合一般行動網路
✔ NTN（衛星）也必須全面採用 PQC
✔ AI-native Security 將自動偵測量子攻擊
✔ 6G 的安全建立在「數學 + 量子物理 + AI」三合一架構上
一句話：
⭐ 6G 的安全不是升級，而是重建：
⭐ 從今天的密碼學 → 抗量子密碼學。
