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量子通信及其密码技术的现状及未来

摘要

量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。其带来的高效安全的信息传输日益受到人们的关注，并且基于量子力学的基本原理，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。
而量子密码技术是量子通信的一个重要部分。量子密码技术与传统的密码系统不同，它依赖于物理学作为安全模式的关键方面而不是数学。实质上，量子密码术是基于单个光子的应用和它们固有的量子属性开发的不可破解的密码系统，因为在不干扰系统的情况下无法测定该系统的量子状态。同时量子加密术在公共的键值密码术中又是连接键值交换的一种相对较容易方便的方式。因此，量子加密技术这一拥有的巨大潜力的领域非常具有研究和学习的价值。
本文将简要介绍量子通信中的量子加密技术的基本原理，并且展望量子加密技术未来的方向。

关键词：量子通信 量子密码 量子力学 信道反窃听 密钥分配

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正文：

量子密码是采用量子力学原理，通过公开的信道在异地用户之间能严格保证分配过程安全的密钥分配方法，因此可以说：量子密码=量子密钥分配。
量子密码的本质是用于解决分配问题的私钥体系，其意义在于：它是解决现有密码体系的本质问题的一种新的密码学方法。

一、引言
随着计算机网络技术的持续、快速发展，网络通讯、电子商务、电子政务、电子金融等应用使我们越来越多地依赖网络进行工作和生活，大量敏感信息需要通过网络传输，人们需要对自己的信息进行保护以免被窃取或篡改，密码学为我们提供了有力的保证。而随着密码学的发展，量子密码开始走入人们的视线。量子密码是以现代密码学和量子力学为基础、量子物理学方法实现密码思想和操作的一种新型密码体制。这种加密方法是用量子状态来作为信息加密和解密的密钥。量子的一些神奇性质是量子密码安全性的根本保证。
与当前普遍使用的以数学为基础的密码体制不同，量子密码以量子物理原理为基础，利用量子信号实现。与数学密码相比，量子密码方案具有可证明安全性（甚至无条件安全性）和对扰动的可检测性两大主要优势，这些特点决定了量子密码具有良好的应用前景。随着量子通信以及量子计算术的逐渐丰富与成熟，量子密码在未来信息保护技术领域将发挥重要作用。
（一） 量子密码的起源
最早想到将量子物理用于密码术的是美国科学家威斯纳（Stephen Wiesner）。他于1970年提出，可利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子态，不太现实，并没有被人们接受，但他的研究成果开创了量子密码的先河，在密码学历史上具有划时代的意义。直到1984年贝内特（Charles H. Bennett）和布拉萨德（Gilles Brassard）提出著名的量子密钥分配协议，也称为BB84方案，由此迎来了量子密码术的新时期。5年后，他们在实验室里进行了第一次实验，成功地把一系列光子从一台计算机传送到相距32CM的另一台计算机，实现了世界上最安全的密钥传送。1992年，贝内特又提出一种更简单但效率减半的方案，即B92方案。经过30多年的研究，量子密码以及发展成为密码学的一个重要分支。
（二） 量子密码的基本特征
密码学之所以能够被人们接纳，并成为受到密码学界、物理学界、商家、媒体、政府部门等个方面广为关注的密码学分支和保护信息的重要技术手段之一，主要原因在于量子密码本身的独特属性。使得量子密码相比数学密码更具应用上的优势，体现在以下两个方面：对信道中窃听行为的可检测性和方案的高安全性（可证明安全性或者无条件安全性）。
所谓密码方案的无条件安全性是指量子密码方案在攻击者具有无限计算资源的条件下仍不可能破译改密码方案的特性。无条件安全性又称信息安全，其基础是信息理论。
所谓对信道中窃听行为的可检测性是指通信中的两个用户之间的信道受到干扰时，通信者根据某个量子力学原理可以同步实时地检测出这种干扰的存在与否。对信道中窃听行为的可检测性特征没有经典对应，是一种独特的量子效应，这种特性是保证量子密码方案具有高安全性的重要基础之一。这些特征使得量子密码在信息保护通信方面中具有良好的优势。

二、量子密码研究进展
近年来，研究者们设计出了大量的各具特色的量子密码方案，并对其安全性进行了深入系统的分析，同时在提高方案性能和实验实现方面取得了众多成果。
（一）量子密码技术的原理
从数学上讲只要掌握了恰当的方法任何密码都可破译。此外，由于密码在被窃听、破解时不会留下任何痕迹，用户无法察觉，就会继续使用同地址、密码来存储传输重要信息，从而造成更大损失。然而量子理论将会完全改变这一切。自上世纪90年代以来科学家开始了量子密码的研究。因为采用量子密码技术加密的数据不可破译，一旦有人非法获取这些信息,使用者就会立即知道并采取措施。无论多么聪明的窃听者在破译密码时都会留下痕迹。更惊叹的是量子密码甚至能在被窃听的同时自动改变。毫无疑问这是一种真正安全、不可窃听破译的密码。
以往密码学的理论基础是数学，而量子密码学的理论基础是量子力学，利用物理学原理来保护信息。其原理是“海森堡测不准原理”中所包含的一个特性，即当有人对量子系统进行偷窥时，同时也会破坏这个系统。因此对输运光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系,通讯会被中断,这实际上就是一种不同于传统需要加密解密的加密技术。
在传统加密交换中两个通讯对象必须事先拥有共同信息——密钥，包含需要加密、解密的算法数据信息。而先于信息传输的密钥交换正是传统加密协议的弱点。另外,还有“单量子不可复制定理”。它是上述原理的推论,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必须先做测量,而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理,即使量子密码不幸被电脑黑客获取,也会因测量过程中对量子状态的改变使得黑客只能得到一些毫无意义的数据。
量子密码就是利用量子状态作为信息加密、解密的密钥，其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”的量子纠缠。它是一种量子力学现象，指不论两个粒子间距离有多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子。因此当使用一个特殊晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子后，即使相距遥远它们也是相互联结的。只要测量出其中一个被纠缠光子的属性，就容易推断出其他光子的属性。
（二）量子密码实现方案
到目前为止，主要有三大类量子密码实现方案：一是基于单光子量子信道中海森堡测不准原理的；二是基于量子相关信道中Bell原理的；三是基于两个非正交量子态性质的。“量子密码”是利用质子的极化方式编排密码。质子能以四种方式极化；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。
（三） 量子攻击
攻击一个量子密码系统主要有两类方法：经典方法和量子方法。量子攻击方法可分为非相干攻击方法和相干攻击方法。非相干攻击就是攻击者独立地给每一个截获到的量子态设置一个探测器，然后测量每一个探测器重的粒子，从而获取信息。相干攻击是指攻击者可通过某种方法使多个粒子比特关联，从而可相干地测量或处理这些粒子比特，进而获取信息。有些经典密码分析方法和策略不但可以在经典密码分析中发挥作用，在量子密码分析中也将起到重要的作用。在某些情况下，经典攻击甚至是一种重要的攻击方式。
下面是种经典型的量子攻击方法，它们对量子攻击的分析具有较高的参考价值。
1． 截获—测量—重发攻击
2． 假信号攻击
3. 纠缠附加粒子攻击
4. 特洛伊木马攻击

三、结论
量子密码术是近年来国际学术界的一个前沿研究热点。面对未来具有超级计算能力的量子计算机，现行基于解自然对数及因子分解困难度的加密系统、数字签章及密码协议都将变得不安全，而量子密码术则可达到经典密码学所无法达到的两个最终目的：一是合法的通信双方可察觉潜在的窃听者并采取相应的措施；二是使窃听者无法破解量子密码，无论企图破解者有多么强大的计算能力。可以说，量子密码是保障未来网络通信安全的一种重要的技术。随着对量子密码体制研究的进一步深入，越来越多的方案被提出来，近年来无论在理论上还是在实验上都在不断取得重要突破，相信不久的将来量子密码将会在网络通信上得到广泛的应用，我们即将进入到一个量子信息时代。

参考文献
[1] 《量子密码入门》 [M]. 北京：知足常乐的新浪博客 (2012-10-16 09:02:58)
[2] 《量子密码技术》 [M]. 南京：《通信技术》杂志, （2001【8】:48-50）