總述：
量子密碼是采用量子力學(xué)原理，通過(guò)公開的信道在異地用戶之間能嚴(yán)格保證分配過(guò)程安全的密鑰分配方法，因此可以說(shuō)：量子密碼=量子密鑰分配。
量子密碼的本質(zhì)是用于解決分配問(wèn)題的私鑰體系，其意義在于：它是解決現(xiàn)有密碼體系的本質(zhì)問(wèn)題的一種新的密碼學(xué)方法。
量子密鑰分配的安全保證主要有：
A. 以單光子(量子)攜帶信息, 不怕敵人分取信息;
B. 量子不可克隆定律保證敵人不可能拷貝信息。
——基于物理層面的安全性
一、引言
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的持續(xù)、快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通訊、電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子金融等應(yīng)用使我們?cè)絹?lái)越多地依賴網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作和生活，大量敏感信息需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，人們需要對(duì)自己的信息進(jìn)行保護(hù)以免被竊取或篡改，密碼學(xué)為我們提供了有力的保證。而隨著密碼學(xué)的發(fā)展，量子密碼開始走入人們的視線。量子密碼是以現(xiàn)代密碼學(xué)和量子力學(xué)為基礎(chǔ)、量子物理學(xué)方法實(shí)現(xiàn)密碼思想和操作的一種新型密碼體制。這種加密方法是用量子狀態(tài)來(lái)作為信息加密和解密的密鑰。量子的一些神奇性質(zhì)是量子密碼安全性的根本保證。
與當(dāng)前普遍使用的以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的密碼體制不同，量子密碼以量子物理原理為基礎(chǔ)，利用量子信號(hào)實(shí)現(xiàn)。與數(shù)學(xué)密碼相比，量子密碼方案具有可證明安全性（甚至無(wú)條件安全性）和對(duì)擾動(dòng)的可檢測(cè)性兩大主要優(yōu)勢(shì)，這些特點(diǎn)決定了量子密碼具有良好的應(yīng)用前景。隨著量子通信以及量子計(jì)算術(shù)的逐漸豐富與成熟，量子密碼在未來(lái)信息保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。
（一）
最早想到將量子物理用于密碼術(shù)的是美國(guó)科學(xué)家威斯納（StephenWiesner）。他于1970年提出，可利用單量子態(tài)制造不可偽造的“電子鈔票”。但這個(gè)設(shè)想的實(shí)現(xiàn)需要長(zhǎng)時(shí)間保存單量子態(tài)，不太現(xiàn)實(shí)，并沒(méi)有被人們接受，但他的研究成果開創(chuàng)了量子密碼的先河，在密碼學(xué)歷史上具有劃時(shí)代的意義。直到1984年貝內(nèi)特（CharlesH. Bennett）和布拉薩德（GillesBrassard）提出著名的量子密鑰分配協(xié)議，也稱為BB84方案，由此迎來(lái)了量子密碼術(shù)的新時(shí)期。5年后，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了第一次實(shí)驗(yàn)，成功地把一系列光子從一臺(tái)計(jì)算機(jī)傳送到相距32CM的另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了世界上最安全的密鑰傳送。1992年，貝內(nèi)特又提出一種更簡(jiǎn)單但效率減半的方案，即B92方案。經(jīng)過(guò)30多年的研究，量子密碼以及發(fā)展成為密碼學(xué)的一個(gè)重要分支。
（二）
密碼學(xué)之所以能夠被人們接納，并成為受到密碼學(xué)界、物理學(xué)界、商家、媒體、政府部門等個(gè)方面廣為關(guān)注的密碼學(xué)分支和保護(hù)信息的重要技術(shù)手段之一，主要原因在于量子密碼本身的獨(dú)特屬性。使得量子密碼相比數(shù)學(xué)密碼更具應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：對(duì)信道中竊聽(tīng)行為的可檢測(cè)性和方案的高安全性（可證明安全性或者無(wú)條件安全性）。
所謂密碼方案的無(wú)條件安全性是指量子密碼方案在攻擊者具有無(wú)限計(jì)算資源的條件下仍不可能破譯改密碼方案的特性。無(wú)條件安全性又稱信息安全，其基礎(chǔ)是信息理論。
所謂對(duì)信道中竊聽(tīng)行為的可檢測(cè)性是指通信中的兩個(gè)用戶之間的信道受到干擾時(shí)，通信者根據(jù)某個(gè)量子力學(xué)原理可以同步實(shí)時(shí)地檢測(cè)出這種干擾的存在與否。對(duì)信道中竊聽(tīng)行為的可檢測(cè)性特征沒(méi)有經(jīng)典對(duì)應(yīng)，是一種獨(dú)特的量子效應(yīng)，這種特性是保證量子密碼方案具有高安全性的重要基礎(chǔ)之一。這些特征使得量子密碼在信息保護(hù)通信方面中具有良好的優(yōu)勢(shì)。
二、量子密碼研究進(jìn)展
近年來(lái)，研究者們?cè)O(shè)計(jì)出了大量的各具特色的量子密碼方案，并對(duì)其安全性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的分析，同時(shí)在提高方案性能和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方面取得了眾多成果。
（一）量子密碼技術(shù)的原理
從數(shù)學(xué)上講只要掌握了恰當(dāng)?shù)姆椒ㄈ魏蚊艽a都可破譯。此外，由于密碼在被竊聽(tīng)、破解時(shí)不會(huì)留下任何痕跡，用戶無(wú)法察覺(jué)，就會(huì)繼續(xù)使用同地址、密碼來(lái)存儲(chǔ)傳輸重要信息，從而造成更大損失。然而量子理論將會(huì)完全改變這一切。自上世紀(jì)90年代以來(lái)科學(xué)家開始了量子密碼的研究。因?yàn)椴捎昧孔用艽a技術(shù)加密的數(shù)據(jù)不可破譯，一旦有人非法獲取這些信息,使用者就會(huì)立即知道并采取措施。無(wú)論多么聰明的竊聽(tīng)者在破譯密碼時(shí)都會(huì)留下痕跡。更驚嘆的是量子密碼甚至能在被竊聽(tīng)的同時(shí)自動(dòng)改變。毫無(wú)疑問(wèn)這是一種真正安全、不可竊聽(tīng)破譯的密碼。
以往密碼學(xué)的理論基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)，而量子密碼學(xué)的理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)，利用物理學(xué)原理來(lái)保護(hù)信息。其原理是“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”中所包含的一個(gè)特性，即當(dāng)有人對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行偷窺時(shí)，同時(shí)也會(huì)破壞這個(gè)系統(tǒng)。因此對(duì)輸運(yùn)光子線路的竊聽(tīng)會(huì)破壞原通訊線路之間的相互關(guān)系,通訊會(huì)被中斷,這實(shí)際上就是一種不同于傳統(tǒng)需要加密解密的加密技術(shù)。
在傳統(tǒng)加密交換中兩個(gè)通訊對(duì)象必須事先擁有共同信息——密鑰，包含需要加密、解密的算法數(shù)據(jù)信息。而先于信息傳輸?shù)拿荑€交換正是傳統(tǒng)加密協(xié)議的弱點(diǎn)。另外,還有“單量子不可復(fù)制定理”。它是上述原理的推論,指在不知道量子狀態(tài)的情況下復(fù)制單個(gè)量子是不可能的,因?yàn)橐獜?fù)制單個(gè)量子就必須先做測(cè)量,而測(cè)量必然會(huì)改變量子狀態(tài)。根據(jù)這兩個(gè)原理,即使量子密碼不幸被電腦黑客獲取,也會(huì)因測(cè)量過(guò)程中對(duì)量子狀態(tài)的改變使得黑客只能得到一些毫無(wú)意義的數(shù)據(jù)。
量子密碼就是利用量子狀態(tài)作為信息加密、解密的密鑰，其原理就是被愛(ài)因斯坦稱為“神秘遠(yuǎn)距離活動(dòng)”的量子糾纏。它是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，指不論兩個(gè)粒子間距離有多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的變化都會(huì)影響另一個(gè)粒子。因此當(dāng)使用一個(gè)特殊晶體將一個(gè)光子割裂成一對(duì)糾纏的光子后，即使相距遙遠(yuǎn)它們也是相互聯(lián)結(jié)的。只要測(cè)量出其中一個(gè)被糾纏光子的屬性，就容易推斷出其他光子的屬性。
（二）量子密碼實(shí)現(xiàn)方案
到目前為止，主要有三大類量子密碼實(shí)現(xiàn)方案：一是基于單光子量子信道中海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理的；二是基于量子相關(guān)信道中Bell原理的；三是基于兩個(gè)非正交量子態(tài)性質(zhì)的?！傲孔用艽a”是利用質(zhì)子的極化方式編排密碼。質(zhì)子能以四種方式極化；水平的和垂直的，而且互為一組，兩條對(duì)角線的也是互為一組。
要在兩端傳遞量子密鑰.
其中一種方法就是以激光發(fā)出單一光子，光子會(huì)以兩種模式中的其中一種偏振。光子的第一種偏振方向是垂直或平行（直線模式）；第二種則是與垂直呈45度角（對(duì)角模式）。不管是哪一種模式，光子的不同指向分別代表0或1這兩個(gè)數(shù)字。依慣例，密碼學(xué)者通常稱發(fā)送者為Alice，她隨機(jī)地以直線或?qū)悄Ｊ剿统龉庾?，發(fā)射出一串位。至于接收者則稱為Bob，他也隨機(jī)決定以兩種模式之一來(lái)測(cè)量射入的光子。根據(jù)海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理，他只能以一種模式來(lái)測(cè)量位，而不能用兩種。如果Bob所使用的測(cè)量方法和Alice相同，那么他會(huì)得到Alice所送的值；如果Bob所使用的測(cè)量方法與Alice的不同，所得到的值就不一定和Alice的相同，應(yīng)該舍棄該位，重新再作，整個(gè)步驟如下：
1.Alice隨機(jī)選擇一個(gè)偏振態(tài)光子傳出
2.Bob 隨機(jī)選擇一組偏振基同步測(cè)量
3.Bob實(shí)際測(cè)得的偏振光子（只Bob知道）
4.Bob通知Alice測(cè)量到光子用的偏振基（不是態(tài)）
5.Alice告訴Bob那些選擇是正確的
6.雙方安約定轉(zhuǎn)換成0、1（比如上例中，-/代表0，|\代表1）
重復(fù)上述步驟多次，可以得到一個(gè)n位的共同密鑰K，用以對(duì)信息加密或解密。
因此，量子密鑰分配的方案主要有：
A.BB84（B92）方案；B. EPR方案
C.正交態(tài)方案；
而上述方案則是BB84方案中按偏振編碼的方法，其中光子偏振態(tài)代表0、1，兩組（基）共四個(gè)不同的偏振態(tài)。例如：水平，垂直偏振基，正45度，負(fù)45度偏振基，Alice隨機(jī)選送四個(gè)態(tài)中的任意一個(gè)，Bob隨機(jī)選任意一組基測(cè)量。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、易行，適用于自由空間密鑰分配。
如果竊聽(tīng)者（稱為Eve）想攔截這道光子流，由于海森堡原理的關(guān)系，她無(wú)法兩種模式都測(cè)。如果她以錯(cuò)誤的模式進(jìn)行測(cè)量，即使她將該位依照測(cè)到的結(jié)果重傳給Bob，都一定會(huì)有1/2機(jī)會(huì)出錯(cuò)。Alice和Bob可以隨機(jī)選擇一些位進(jìn)行比較，如果比較值有誤，就可以知道Eve進(jìn)行了攔截，從而舍棄這次的密鑰，再建立新的密鑰；如果比較值一致，則可以認(rèn)為密鑰是安全的，舍棄這些用于比較的位后，密鑰就可以用于以后信息的加密了。
另外一種方法是，Bob先準(zhǔn)備一對(duì)光子，或者是一對(duì)在糾纏態(tài)中共同地半自轉(zhuǎn)的粒子，然后儲(chǔ)存其中一個(gè)粒子，并將另外一個(gè)傳送至Alice。Alice在收到的粒子上執(zhí)行了其中一個(gè)特別的操作（操作1對(duì)半自轉(zhuǎn)的粒子不做任何動(dòng)作；操作2沿著x，y或z以180度做自旋，對(duì)光子來(lái)說(shuō)，做與偏極值一致的旋轉(zhuǎn)）。這些操作，雖然只對(duì)其中一個(gè)粒子執(zhí)行，卻會(huì)影響兩個(gè)聯(lián)合粒子的量子狀態(tài)（分開地量測(cè)這兩個(gè)粒子并不能夠證實(shí)）。Alice傳回粒子與Bob，Bob可以共同測(cè)量傳回的粒子與儲(chǔ)存的粒子，從而判定Alice使用了四種操作中的那一種操作，也即代表了兩比特?cái)?shù)據(jù)的0、1組合。如此一來(lái)，這個(gè)技術(shù)有效的加倍了信息頻道的最高容量。
在這個(gè)通訊之間的竊聽(tīng)者Eve將必須偵測(cè)粒子以讀取信號(hào)，然后依序傳送這些訊號(hào)使她不被發(fā)現(xiàn)到，然而這個(gè)偵測(cè)其中一個(gè)粒子的動(dòng)作將會(huì)破壞另外一個(gè)粒子的量子關(guān)聯(lián)性，如此一來(lái)兩方都可以證實(shí)到是否有竊聽(tīng)者的存在。
（三）
攻擊一個(gè)量子密碼系統(tǒng)主要有兩類方法：經(jīng)典方法和量子方法。量子攻擊方法可分為非相干攻擊方法和相干攻擊方法。非相干攻擊就是攻擊者獨(dú)立地給每一個(gè)截獲到的量子態(tài)設(shè)置一個(gè)探測(cè)器，然后測(cè)量每一個(gè)探測(cè)器重的粒子，從而獲取信息。相干攻擊是指攻擊者可通過(guò)某種方法使多個(gè)粒子比特關(guān)聯(lián)，從而可相干地測(cè)量或處理這些粒子比特，進(jìn)而獲取信息。有些經(jīng)典密碼分析方法和策略不但可以在經(jīng)典密碼分析中發(fā)揮作用，在量子密碼分析中也將起到重要的作用。在某些情況下，經(jīng)典攻擊甚至是一種重要的攻擊方式。
下面簡(jiǎn)單介紹幾種經(jīng)典型的量子攻擊方法，它們對(duì)量子攻擊的分析具有較高的參考價(jià)值。
1．
所謂截獲—測(cè)量—重發(fā)攻擊，即竊聽(tīng)者截獲信道中傳輸?shù)牧孔颖忍夭⑦M(jìn)行測(cè)量，然后發(fā)送適當(dāng)?shù)牧孔討B(tài)給合法接受者，這是最簡(jiǎn)單的攻擊方法之一。
2．
假信號(hào)攻擊泛指用自己的量子比特替換合法粒子（或光子），以期利用自己與接受者之間的糾纏來(lái)協(xié)助達(dá)到竊聽(tīng)者的攻擊方法。同時(shí)，替換以后往往需要輔以其他手段來(lái)達(dá)到目的。因此，假信號(hào)攻擊具有多樣性，分析起來(lái)也相對(duì)復(fù)雜。
3. 糾纏附加粒子攻擊
竊聽(tīng)者在截獲信道中的量子比特后，通過(guò)幺正操作將自己的附加粒子與合法粒子糾纏起來(lái)，然后將合法粒子重新發(fā)給接收者，以期利用這種糾纏獲取信息。這就是所謂的糾纏附加粒子攻擊，通常包括截獲—糾纏—重發(fā)—測(cè)量（附加粒子）四個(gè)步驟。這種分析方法在證明協(xié)議的安全性時(shí)也經(jīng)常用到。
4. 特洛伊木馬攻擊
特洛伊木馬攻擊是另外一種由于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的不完美而存在的攻擊方法。在這種攻擊中，竊聽(tīng)者可以向通信信道中發(fā)送光脈沖，并分析它們用戶設(shè)備反射回來(lái)的光信號(hào)以試圖得到設(shè)備信息。一般來(lái)說(shuō)，這種針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不完美性來(lái)實(shí)施攻擊的問(wèn)題通?？梢杂媚承┘夹g(shù)手段來(lái)解決。
三、結(jié)論
量子密碼術(shù)是近年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界的一個(gè)前沿研究熱點(diǎn)。面對(duì)未來(lái)具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)，現(xiàn)行基于解自然對(duì)數(shù)及因子分解困難度的加密系統(tǒng)、數(shù)字簽章及密碼協(xié)議都將變得不安全，而量子密碼術(shù)則可達(dá)到經(jīng)典密碼學(xué)所無(wú)法達(dá)到的兩個(gè)最終目的：一是合法的通信雙方可察覺(jué)潛在的竊聽(tīng)者并采取相應(yīng)的措施；二是使竊聽(tīng)者無(wú)法破解量子密碼，無(wú)論企圖破解者有多么強(qiáng)大的計(jì)算能力?？梢哉f(shuō)，量子密碼是保障未來(lái)網(wǎng)絡(luò)通信安全的一種重要的技術(shù)。隨著對(duì)量子密碼體制研究的進(jìn)一步深入，越來(lái)越多的方案被提出來(lái)，近年來(lái)無(wú)論在理論上還是在實(shí)驗(yàn)上都在不斷取得重要突破，相信不久的將來(lái)量子密碼將會(huì)在網(wǎng)絡(luò)通信上得到廣泛的應(yīng)用，我們即將進(jìn)入到一個(gè)量子信息時(shí)代。
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