量子密码与量子通信.docx

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1、量子密码与量子通信 摘 要：量子密码不同于一般密码，是量子力学与经典密码学相互融合的产物。它的平安性由量子力学基本原理保证，与攻击者的计算实力无关。它的兴起对信息平安技术领域产生了特别重要的影响。本文介绍了量子密码与一般密码的区分，量子密钥安排方案的基本原理，量子密码协议以及量子通信的2种方法。 关键词：量子密码;量子密钥分发;协议;量子通信 中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1673-206421-0024-02 密碼学广泛应用于军事、金融、信息保密等领域。到目前为止，我们所用的文本、声音、图像等都是转换为0或1进行编码存储于计算机中。人们用计算机所处理的数据依旧是基于比特的

2、。因此我们将密码系统的实质归结为爱护比特数据的平安。早期的密码学主要基于数学的困难性，破解一个密码系统，相当于解决一个具有肯定困难的数学问题，这类利用数学困难性而生成的密码学称为经典密码学，与之相对应的就是量子密码学。 量子密码学依靠物理学原理，无条件地确保信息的平安。它听从“一次一密”，每次向对方传送一个密钥，这个密钥要求是随机的，假如被外界探测到了，本次密钥就作废。 当用于编码的量子态被窃听，接收方所收到的量子态和发送方的量子态有所不同，这样就会导致其统计特性发生改变，从而被察觉。 1 量子密码协议 1.1 BB84协议 BB84量子密码协议是第一个量子密码通信协议，也是唯一被商业化实现的

3、量子密钥分发协议。BB84协议的关键在于：双方选取了2组非正交编码基。窃听方无法获得一方传递给另一方的信息。接收方依据测量数据计算相应的误码率，假如误码率高于某个阙值，就终止本轮协议，重新起先分发新的随机密钥。假如能保证密钥长度尽可能的长，这种传递信息的方式与窃听者的破解实力没有任何关系，是无条件的。 1.2 B92协议 贝内特在11012年提出了B92协议，也就是量子密码分发协议。B92协议中运用2种量子状态。 发送方发送状态|>和|>，接收方接受状态后选择基“+”或“”来测量。假如接收方测量得到的结果是|>，就可以确定发送方发送的状态是|>。假如得到结果是|>

4、，确定接收到的状态是|>。但假如接收方的测量结果是|>或|>，那么就不能确定接收到的状态是什么。然后，接收方告知发送方，哪些状态得到了确定的结果，哪些状态不能确定，但不告知发送方它选择了什么样的基测量。然后用那些得到了确定结果的基来编码，把“+”编为“0”，把“”编为“1”，并用这串比特作为密钥。 这个协议的缺点是：只有无损耗的信道才能保证这个协议的平安性，否则，Eve把那些无法得到确定结果的状态截获，然后重新制备，得到确定结果的状态再发出去。 1.3 E91协议 E91协议最初是由欧洲的科研人员发表出来的，以EPR纠缠对为基础，因此我们也把它称为EPR协议，其平安性由Bel

5、l定理保证。E91协议的实现包括信息传输和信息平安检测2次操作。在E91协议中对窃听者是否存在的检测是通过Bell不等式对信道的平安性进行检测。假如通信双方的探测结果没有违反贝尔不等式就证明EVE存在。假如通信双方的探测结果不满意贝尔不等式，就说明信息传输信道中没有EVE的存在。 E91协议的实现流程为： 由纠缠源产生一对纠缠的粒子，其自旋为1/2，并发送给通信双方。 Alice从0、/4、/2的测量方向上随机选择测量基检测粒子的自旋状态。Bob从中随机选择测量基检测粒子的自旋状态。 经过多次测量后，Alice和Bob公布自己的测量基，但不公布自己的测量结果，并运用选取了不同测量基的结果用于检

6、测粒子是否是纠缠的。 当检测到粒子对无关联时，认为该纠缠是无效的，或者存在窃听者，放弃这次通信。 若判定粒子对是相互纠缠的，并且没有窃听者存在，则运用选取了相同测量基的测量结果用于生成密钥。 E91协议平安性能好，因为量子比特在传输中的量子态无法精确给定，必需经过信息接收者的测量才能确定其量子状态，因此即使EVE截获了通信双方传输的纠缠态，也无法获得精确的量子信息。 2 量子通信 量子通信是信息科学与量子物理相结合的产物，经典密码学并不能保证通信的平安性，量子通信是依据量子的基本理论，所以具有很高的平安性。假如有窃听存在，就会引起误码，从而被通信双方发觉。目前有可能实现的量子通信方式是量子密钥

7、分发，即：先通过量子密钥分发完成肯定平安的密钥分发，再以“一字一密”的方式进行保密通信。量子密钥分发主要包括打算-再测量-基于纠缠源。 量子通信分为2种：量子密钥分发和量子隐形传态。量子密钥分发的特点是利用量子的不行克隆性，对信息进行加密。量子隐形传态则是利用量子的纠缠态来传输量子比特。 2.1 量子密钥分发 所谓量子密钥分发就是利用量子力学的特性保证通信的平安。通信的双方产生一个随机且平安的密钥加密和解密信息。原理是：只要对量子系统测量，就会对系统产生干扰，传统的密码学没有方法察觉到窃听者，也就无法保证密钥的平安。 量子密钥分发只产生和分发密钥，不传输真正的信息。信息可用某些加密算法进行加密

8、，加密后的信息能够在标准信道中进行传输。量子密钥分发最常见的相关算法是一次性密码。假如运用保密而随机的密钥，这种算法是平安的。在实际运用中，量子密钥分发经常用于对称密钥加密的加密方式。 量子通信中，消息编码为量子状态，也称量子比特，而传统通信中，消息编码为比特。一般状况下，光子被用来制备量子状态。 窃听者策略： 将甲方发来的量子比特进行克隆，再发给乙方，但量子不行克隆性确保窃听者无法克隆正确的量子比特序列，因而也无法获得最终密钥。 窃听者随机选择检偏器，测量每个量子比特所编码的随机数，然后将测量后的量子比特冒充甲方的量子比特序列发送给乙方。根据量子力学的假设，测量必定会干扰量子态，因此这个冒充

9、的量子比特与原始的量子比特可能不一样，这将导致甲乙双方形成的随机数序列出现误差，他们经由随机对比，只要发觉误码率高，就知道窃听者存在，这样的密钥担心全。只有当确认无窃听者存在，密钥才是平安的，接下来便可用此平安密钥进行一次一密的保密通信。 存在的问题： 这种保密通信，密钥由QKD生成，假如窃听者不停地窃听，甲乙双方就无法获得平安的密钥，通信就无法进行，QKD也无能为力。它唯一的优势就是断定是否有窃听者存在。 2.2 量子隐形传态 量子隐形传态就是由经典通道和EPR通道传送量子态。传输的是量子态携带的量子信息。在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态可从一个地方到达另外一个地方。 假如要实现量子隐形传

10、态，接收方和发送方必需共享一对的EPR。发送方把自己的EPR和要发送信息所在的粒子进行测量，接收方的EPR会缩为另一状态，然后发送方将测量结果通过信道传送给接收方。接收方收到后，依据这条信息对自己EPR做相应幺正变换就可以复原原来的信息。接收方依据这些信息构造出原子态的全貌。 量子隐形传态的原理是：将传送的量子态与EPR对中一个粒子进行贝尔基测量，此时未知态的全部量子信息将会转移到EPR对的其次个粒子上面。依据传统通道传送的贝尔基测量结果，对EPR的其次个粒子的量子态进行适当的幺正变换，就可以使这个粒子处于与待传送的未知态完全相同的量子态，在EPR的其次个粒子上实现对未知态的重现。 量子隐形传

11、态是量子通信中最简洁的一种，量子通信可以做到泄密，爱护用户的通信平安。由于量子具有不行再分、不行复制的特性，在传输中假如受到干扰它就会变更状态，从而接收方就会知道。除了在爱护通信平安的前提下，量子通信还有反窃听的功能。一旦有窃听者存在，信息就会被偷听动作变更，从而保证信息的绝密。 量子密码通信还有许多须要深化探讨的内容。目前比较成熟的是：利用量子器件产生随机数当做密钥，利用量子通信安排密钥，最终按“一次一密”方式来进行加密。量子的作用主要是产生密钥和安排密钥，而加密还是采纳的传统密码。 量子通信作为一种新型通信手段，因其速度快、保密性强、存储实力大、信息效率高、信噪比低等独特的优点，得到了国内

12、外广泛关注，作为一门新兴学科，量子通信打破了传统的通信方式，该技术在隐身传输和加密平安领域取得了令人瞩目的成果，是今后世界通信领域的热点，必将有着广袤的前景。 参考文献 1 杨宇光.量子密码协议的设计和分析M.科学出版社，2022. 2 美斯皮尔曼.经典密码学现代密码学M.清华高校出版社，2022. 3 李琼.應用量子密码学M.科学出版社，2022. 4 Atul.密码学与网络平安M.清华高校出版社，2022. 5 美菲利普.密码学基础教程M.机械工业出版社，2022. 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页