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量子密码技术

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量子密码技术是量子物理学和密码学相结合的一门新兴学科,它是利用量子物理学方法实现密码思想的一种新型密码体制。 量子密码技术是一种实现保密通信的新方法,它比较于经典密码的最大优势是具有可证明安全性和可检测性。

量子密码技术概述

  • 量子密码学简介量子密码学是当代密码理论研究的一个新领域,近年来在密码理论研究中逐渐热门起来。量子密码学的思想最早是由二十世纪60年代末美国人StephenWiesner在一份手稿中首先提出的,后来美国IBM公司ThomasJ.Waston研究中心的CharlesH.Bennett与加拿大蒙特利尔大学的GillesBrassard受其思想影响在1982年美洲密码学会上发表了第一篇论文,1984年提出提出了量子密码协议,现在被通称为BB84协议,并于1989年制作了一台原型样机。后来,英国防卫研究署、瑞士日内瓦大学、英国电信实验室和美国国家实验室分别进行了类似的研究,在中用相位编码的方式实现了BB84.QKD方案,光纤传输长度达到了10公里。到1995年,在光纤中的传输距离达到了30公里。瑞士日内瓦大学在1993年用偏振的光子实现了BB84方案,他们使用的光子波长为1.3mm,在光纤中的传输距离为1.1公里,误码率仅为0.54%,并于1995年在日内瓦湖底铺设的23公里长的民用光通信光缆中进行了实地表演,误码率为3.4%。1997年,他们利用法拉第镜抑制了光纤中的双折射等影响传输距离的一些主要因素,提出了“即插即用”的量子密钥方案。2002年,他们又用“即插即用”方案在光纤中成功地进行了67公里的量子密码传输。2000年,美国洛斯阿拉莫斯(LosAlamos)国家实验室在自由空『日J里进行的量子密钥分配的传输距离达到了1.6公里。2003年,欧洲小组在自由间中的距离达到了23公里。目前他们正在为地面与低轨道卫星之间的量子密码通信试验做准备。2006年,中国科学技术大学潘建伟教授领导的研究小组,在国际上首次成功地实现了两粒子复合系统量子态的隐形传输,并且第一次成功地实现了对六光子纠缠念的操纵。量子秘密共享、量子签名和量子认证都是最近发展起来的量子密码技术研究方向。1999年,HilleryBuzek和Berthiaume提出了第一个量子秘密共享方梨。目前,大约有十来种理论方案。Tittel,Zbinden和Gisin于2001年在实验上演示了量子秘密共享。Gottesman和Chuang首先提出基于量子力学的数字签名协议121〕,在量子签名方面有温晓军等人提出的基于纠缠交换的量子签名方案1221,曾贵华提出基于GHZ相关三粒子态的量子签名方案123241等。BARNUM等提出的量子消息认证方案是在收发双方事先共享经典密钥的基础上的;吕欣等人的协谢26l是对BARNUM的改进,缩减了通信双方共享的密钥数量;CURTY和SANTOS给出一个量子认证方案,只是完成了对经典消息的认证。

    到目前为止,有关量子密码的成果虽然很多,但尚有许多问题有待于深入研究。比如,寻找新的可用量子效应以便提出更多高效的量子密钥分配协议,开发量子加密算法以便形成和完善量子加密理论,在诸如量子身份认证、量子签名等方面改进已有方案或推陈出新,还有研究量子攻击算法(包括对Shor的大数因子分解算法和Grover搜索算法的改进)和量子密码协议的安全性分析等。总的来说,量子密码理论与技术还处于实验和探索之中。自从二十世纪八十年代量子信息成为物理与信息学科交叉研究的热点以来,我国的科学工作者在量子信息研究方面也做出了大量的突出工作,包括量子计算、量子纠缠、量子克降、量子退相干、量子博弈、量子信息处理、量子纠错与避错、量子测量、量子密钥分配、量子机密共享、量子身份认证、量子数据隐藏、量子 www.docin.com 第一章绪论安全直接通信等各个方面,有关工作在论文集中有较多的收录。这一些研究工作不仅是理论上的,也在实验上取得了大量的优秀结果。

量子密码技术的现状

  • 量子密码学的理论基础是量子力学,而以往密码学的理论基础是数学。与传统密码学不同,量子密码学利用物理学原理保护信息。首先想到将量子物理用于密码技术的是美国科学家威斯纳。威斯纳在“海森堡测不准原理”和“单量子不可复制定理”的基础上,逐渐建立了量子密码的概念。“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理,指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的,只能精确测定两者之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的推论,它指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的,因为要复制单个量子就只能先作测量,而测量必然改变量子的状态。

    威斯纳于 年提出,可利6=;2用单量子不可复制的原理制造不可伪造的“电子钞票”。由于这个设想的实现需要长时间保存单量子态,这是不太现实的,因此,“电子钞票”的设想失败了。但是,单量子态虽然不好保存却可以用来传递信息,威斯纳的尝试为研究密码的科学家们提供了一种新的思路。

    量 子 密 码 最 基 本 的 原 理 是“量子纠缠”,即一个特殊的晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子。被爱因斯坦称为“神秘的远距离活动”的量子纠缠,是指粒子间即使相距遥远也是相互联结的。大多数量子密码通信利用的都是光子的偏振特性,这一对纠缠的光子一般有两个不同的偏振方向,就像计算机语言里的“!”和“"”。 根据量子力学原理,光子对中的光子的偏振方向是不确定的,只有当其中一个光子被测量或受到干扰,它才有明确的偏振方向,它代表“!”和“#完全是随机的,但一旦它的偏振方向被确定,另外一个光子就被确定为与之相关的偏振方向。当两端的检测器使用相同的设定参数时,发送者和接收者就可以收到相同的偏振信息,也就是相同的随机数字串。另外,量子力学认为粒子的基本属性存在于整个组合状态中,所以由纠缠光子产生的密码只有通过发送器和接收器才能阅读。窃听者很容易被检测到,因为他们在偷走其中一个光子时不可避免地要扰乱整个系统。

    当前,量子密码研究的核心内容是如何利用量子技术在量子通道上安全可靠地分配密钥所谓“密钥”,在传统的密码术中就是指只有通信双方掌握的随机数字串。量 子 密 钥 分 配 的 安 全 性 由“海森堡测不准原理”及“单量子不可复制定理”保证。根据这两个原理,即使量子密码不幸被电脑黑客撷取,也因为测量过程中会改变量子状态,黑客得到的会是毫无意义的数据。我们可以这样描绘科学家们关于“量子密码”的设想:由电磁能产生的量子(如光子)可以充当为密码解码的一次性使用的“钥匙”。每个量子代表 " 比特含量的信息,量子的极化方式(波的运动方向)代表数字化信息的数码。量子一般能以四种方式极化,水平的和垂直的,而且互为一组;两条对角线的,也是互为一组。这样,每发送出一串量子就代表一组数字化信息。而每次只送出一个量子,就可以有效地排除黑客窃取更多的解密 “钥匙”的可能性。

    假如现在有一个窃密黑客开始向“量子密码”动手了,我们可以看到这样一场有趣的游戏:窃密黑客必须先用接收设施从发射出的一连串量子中吸去一个量子。这时,发射密码的一方就会发现发射出的量子流出现了空格。于是,窃密黑客为了填补这个空格,不得不再发射一个量子。但是,由于量子密码是利用量子的极化方式编排密码的,根据量子力学原理,同时检测出量子的四种极化方式是完全不可能的,窃密黑客不得不根据自己的猜测随便填补一个量子,这个量子由于极化方式的不同很快就会被发现。

量子密码技术的原理

  • 量子技术在密码学上的应用分为两类: 一是利用量子计算机对传统密码体制 的分析;二是利用单光子的测不准原理在光纤一级实现密钥管理和信息加密,即 量子密码学。量子计算机是一种传统意义上的超大规模并行计算系统,利用量子 计算机可以在几秒钟内分解 RSA129 的公钥。根据 inrnet 的发展,全光网络将 是今后网络连接的发展方向,利用量子技术可以实现传统的密码体制,在光纤一 级完成密钥交换和信息加密, 其安全性是建立在 Heisenberg 的测不准原理上的, 如果攻击者企图接收并检测信息发送方的信息(偏振), 则将造成量子状态的改变, 这种改变对攻击者而言是不可恢复的, 而对收发方则可很容易地检测出信息是否 受到攻击。目前量子加密技术仍然处于研究阶段,其量子密钥分配 QKD 在光纤上 的有效距离还达不到远距离的要求。

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