王尊
摘 要:量子通信是經(jīng)典通信和量子力學(xué)結(jié)合的一門(mén)交叉學(xué)科。文章綜述了量子通信的基本原理、方法與應(yīng)用;介紹了量子通信技術(shù)近年來(lái)取得的應(yīng)用,并對(duì)未來(lái)發(fā)展作了展望。
關(guān)鍵詞:量子通信;BB84協(xié)議量子密碼
中圖分類(lèi)號(hào):O413;TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-8937(2015)18-0084-02
在信息時(shí)代,網(wǎng)絡(luò)安全是一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。信息安全已經(jīng)得到了各國(guó)政府的高度重視,一方面要保護(hù)自己的安全,另一方面要攻擊對(duì)方,信息保護(hù)的升級(jí)刻不容緩。
1 現(xiàn)代密碼學(xué)
現(xiàn)代密碼學(xué)的基本思想是發(fā)送方使用加密算法和密鑰,將要保密的信息變成數(shù)字發(fā)送給接收方。密鑰是隨機(jī)數(shù)0、1,將其與要傳送的數(shù)字明文放在一起,用加密算法把它們變成密文,密文就是傳送的信息。接收方使用事先定好的相應(yīng)的解密算法,反變換將明文提取出。
密碼體制分為兩類(lèi):一類(lèi)叫對(duì)稱(chēng)密鑰(非公開(kāi)密鑰),它的加密密鑰和解密密鑰相同,通信雙方需要事先共享相同的密鑰,關(guān)鍵在于如何安全地傳遞密鑰。其中有一種一次一密(one time pad)的密碼,用與明文等長(zhǎng)的二進(jìn)制密鑰與明文異或得密文,并且每個(gè)密鑰使用一次就銷(xiāo)毀,根據(jù)香農(nóng)的證明一次一密是無(wú)法破譯的。
另一類(lèi)叫非對(duì)稱(chēng)密鑰(公開(kāi)密鑰),加密密鑰和解密密鑰不相同,加密密鑰公開(kāi),發(fā)送者發(fā)送密鑰與明文混合之后的密文,接受者使用不相同的密鑰解出密文。從公開(kāi)的加密密鑰推導(dǎo)出解密密鑰需要耗費(fèi)極巨大的資源,雖然原則上可破解,但實(shí)際做不到,所以,在當(dāng)今社會(huì)受到廣泛使用。
一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功,它可以更快速的破解數(shù)學(xué)難題,公開(kāi)密鑰就面臨了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
2 量子密碼
無(wú)論采用哪種方法,都無(wú)法避免“截取-重發(fā)”的威脅。為了應(yīng)對(duì)強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī),需要無(wú)條件安全的一次一密的加密方案;但必須解決密鑰分配的安全性,可以借助于量子信息作為密鑰傳輸?shù)墓ぞ摺R淮我幻懿豢善谱g加上密鑰傳輸不可以竊聽(tīng),從理論上就可以做一個(gè)“絕對(duì)安全”的量子保密通信。
量子密碼是利用信息載體(例如光子等粒子)的量子特性,以量子態(tài)作為符號(hào)描述的密碼,它的安全性是由量子力學(xué)的物理原理保障的。
①測(cè)量塌縮理論:除非該量子態(tài)本身即為測(cè)量算符的本征態(tài),否則對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量會(huì)導(dǎo)致“波包塌縮”,即測(cè)量將會(huì)改變最初的量子態(tài)。②不確定原理:不能同時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量?jī)蓚€(gè)非對(duì)易物理量。③不可克隆原理:無(wú)法對(duì)一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行精確的復(fù)制。④單個(gè)光子不可再分:不存在半個(gè)光子。
3 量子通信
量子通信,廣義是指量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方,內(nèi)容包括量子隱形傳態(tài)、量子糾纏交換、量子密鑰分配;狹義上是指量子密鑰分配或基于量子密鑰分配的密碼通信。本文講述的是狹義的量子通信。
3.1 單光子的偏振態(tài)
本文介紹采用BB84協(xié)議實(shí)現(xiàn)的量子通信,在發(fā)送者和接收者之間用單光子的偏振態(tài)作為信息的載體。有兩種模式:一個(gè)是直線模式,光子偏振態(tài)的偏振方向是垂直或者水平,如圖1所示;一個(gè)是斜線(對(duì)角)模式,光子偏振態(tài)的偏振方向與垂直線稱(chēng)45 ?觷角,如圖2所示。
3.2 基于BB84協(xié)議下的“制備-測(cè)量”
依照慣例,密碼學(xué)家稱(chēng)發(fā)送者為Alice,接收者為Bob。Alice隨機(jī)用直線模式或?qū)悄J桨l(fā)出光子,并記錄下不同的指向。Bob也隨機(jī)決定用兩種模式之一測(cè)量接收到的光子,同時(shí)記下采用檢偏器的模式和測(cè)量結(jié)果值。傳送結(jié)束后,Alice與Bob聯(lián)絡(luò),Bob告訴Alice他分別采用哪種模式測(cè)量,然后Alice會(huì)告訴Bob哪些模式是錯(cuò)誤的,這一過(guò)程無(wú)須保密。之后他們會(huì)刪除使用錯(cuò)誤模式測(cè)量的光子,而正確模式測(cè)量出的光子按照統(tǒng)一規(guī)定變成0、1碼后,就成為量子密鑰。
3.3 發(fā)生竊聽(tīng)
根據(jù)“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”,任何測(cè)量都無(wú)法窮盡量子的所有信息。因此,竊聽(tīng)者想要復(fù)制一個(gè)完全相同的光子是根本不可能的事情。同時(shí),任何截獲或測(cè)量量子密鑰的操作都會(huì)改變量子狀態(tài),竊聽(tīng)者只得到無(wú)意義的信息,而信息合法接受者也可以從量子態(tài)的改變,知道存在竊聽(tīng)者。
密碼學(xué)家通常稱(chēng)竊聽(tīng)者為Eve,同Bob一樣只能隨機(jī)選擇一種測(cè)量模式,當(dāng)她采用錯(cuò)誤的測(cè)量方式對(duì)某一光子測(cè)量時(shí),由于波包塌縮,光子的偏振態(tài)會(huì)改變。比如,Eve使用對(duì)角模式測(cè)量直線模式下的光子態(tài),光子態(tài)會(huì)塌縮為對(duì)角模式。之后即使Bob選擇了正確的測(cè)量模式測(cè)量該光子,Bob可能會(huì)得到不符合編碼信息的測(cè)量結(jié)果,這就產(chǎn)生了誤差,具體通信過(guò)程如圖3所示。
Eve竊聽(tīng)一個(gè)光子采用錯(cuò)誤測(cè)量模式的概率是50%;采用錯(cuò)誤模式時(shí),信息可能變成0,也可能變成1,他有25%的概率被發(fā)現(xiàn)。但密鑰并非一個(gè)光子組成,光子數(shù)越多被發(fā)現(xiàn)的概率就會(huì)越高。當(dāng)誤碼率低于閾值,就可以稱(chēng)這個(gè)密碼是安全的;當(dāng)誤碼率超過(guò)閾值,就稱(chēng)密碼被竊聽(tīng),重新再制備新的密鑰,一直檢查到密鑰在建立過(guò)程中沒(méi)有竊聽(tīng)者存在,接下來(lái)進(jìn)行一次一密的傳送。通過(guò)這種方式能保證密鑰本身安全,并且加密密文不可破譯,這就是量子通信的安全性所在。
3.4 量子信道與經(jīng)典信道
發(fā)送方通過(guò)量子信道傳送量子態(tài)光子,接收方用兩種不同類(lèi)型的檢偏器測(cè)量,檢測(cè)出0、1組成的量子密鑰,還需要一個(gè)經(jīng)典信道。因?yàn)槭遣捎靡淮我幻芊绞?,所以?jīng)典信道需要定時(shí)傳送同步信號(hào)。
4 量子通信現(xiàn)狀
由于量子通信技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì),國(guó)際上的一些國(guó)家,特別是美國(guó)、日本、歐盟都投入了大量的人力物力,進(jìn)行量子通信的理論與實(shí)驗(yàn)研究。2002年美國(guó)BBN公司,哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)開(kāi)始聯(lián)合建造DARPA網(wǎng)絡(luò)。2010年日本在三個(gè)政府機(jī)構(gòu)之間使用量子密鑰分配技術(shù),并與2010年10月在東京演示了一個(gè)城域量子保密通信網(wǎng)。2010年西班牙馬德里建成歐盟第一個(gè)城域QKD網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)也在量子通信技術(shù)的道路上不斷發(fā)展。2012年“金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)”是世界首次利用量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)金融信息的傳輸。2012年黨的“十八大”期間在部分核心部位部署量子通信系統(tǒng)。2013年量子保密通信“京滬干線”正式立項(xiàng),打造廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
5 結(jié) 語(yǔ)
量子通信還有一些技術(shù)難題未攻破,例如信道的干擾,設(shè)備的非理想特性,身份驗(yàn)證、密鑰存儲(chǔ)等技術(shù)需要進(jìn)一步改良等等。雖然理想情況量子密碼不可破,但在實(shí)際中還有一些漏洞需要考慮。在未來(lái)幾年,相信我國(guó)在中央、地方政府及相關(guān)部門(mén)大力支持下,通過(guò)相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)的努力,量子通信技術(shù)會(huì)不斷完善,量子通信產(chǎn)業(yè)也必將取得飛速發(fā)展。
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