孫 剛

（海軍參謀部，北京 100841）

在現(xiàn)有的密碼體系中，維那姆提出了一種一次性密碼具備無條件的安全性的密碼體系。他提出的要求是秘鑰是隨機的，而且秘鑰的長度至少要和被加密的數(shù)據(jù)所具備的長度是相同的，但是因為他的某一些缺陷在現(xiàn)實的應用中無法得到真正的實現(xiàn)。但是，量子平行計算概念被提出以后，計算所需要的時間被極大的減少了，從另一個角度說，量子計算機如果被發(fā)明出來，傳統(tǒng)的密碼學可能受到量子力學帶來的沉重打擊，相反，我們也可以利用量子力學創(chuàng)建一套更加安全的密碼體系。

1 研究的歷史和現(xiàn)狀

美國的科學家維斯納是最早想到把量子力學應用于密碼學的，他在1970年就提過使用單量子態(tài)來制造出一種不能夠被偽造的“電子鈔票”。不過這樣的設想如果想要實現(xiàn)有一定的難度，因為這首先需要長時間的保存單量子態(tài)，所以這在當時沒有受到人們的重視，所以直到1983年這個觀點被發(fā)表出來。而貝內(nèi)特與布拉薩德兩個人是很早認識到維斯納提出的建議的重要人物。他們通過研究發(fā)現(xiàn)，單量子態(tài)雖然是不容易被保存的，但是是能夠被用于信息的傳輸?shù)?。所以?984年他們共同提出了首個量子秘鑰的分配方法，這個方法被稱為BB84方案，因此量子密碼迎來了廣泛研究的新的時代。然后，在5年后，他們才在實驗室里完成了首次的量子傳輸實驗，他們成功地把一些光子在距離32厘米距離的兩臺計算機之間進行傳輸，這是早的量子秘鑰傳輸實驗。1992年，貝內(nèi)特通過反復的研究提出了更簡單的B92方案。從這以后，各個國家的科研人員快速地投入到相關(guān)的量子秘鑰研究中來了，這使得量子密碼技術(shù)的實驗得到了快速的發(fā)展。

量子密碼的研究非常順利，雖然該領域還有很多的問題需要其解決，但是量子秘鑰的分發(fā)已經(jīng)逐漸趨于現(xiàn)實。因為通信內(nèi)容保密的重要性，量子密碼技術(shù)最早應用在軍事和政府文件的保密工作上，并且其商業(yè)應用正在起步中。自2003年以來，瑞士id Quantique公司和美國MagiQ公司都發(fā)布了能夠傳輸量子秘鑰的產(chǎn)品。2004年6月3日，世界上第一個量子密碼通信網(wǎng)絡在美國投入運行。這個通信系統(tǒng)能夠連接6個網(wǎng)絡的節(jié)點。在2004年的秋天，日內(nèi)瓦的網(wǎng)絡供應商展示了一個網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡可以把多個服務器的一些數(shù)據(jù)備份到10公里以外站臺，這個網(wǎng)絡是由量子進行加密的。中國也在最近幾年展開了量子通信的保密研究。

在光纖傳輸?shù)倪^程中，光子非常容易被消耗，所以在當前量子密碼傳輸距離只能限制在很短的距離內(nèi)。所以這個阻礙一旦被突破，量子密碼就能夠迎來快速的發(fā)展。2007年4月3日，中國科學家在北京測試成功首個國際量子密碼通信網(wǎng)絡，這也是到目前為止，全球中唯一無中轉(zhuǎn)且任意互通的量子通信網(wǎng)絡，這標志著量子的通信技術(shù)向網(wǎng)絡化發(fā)展邁出的關(guān)鍵一步。

量子密碼技術(shù)在近年以來成為國際學術(shù)界里面的一個熱門的前沿的研究，這種研究針對未來具備超級計算能力的量子超級計算機，而現(xiàn)行的基于解自然對數(shù)和因子分解的一種加密的系統(tǒng)可能變得不夠安全，但是量子密碼術(shù)卻能擁有夠經(jīng)典的密碼學而不能達到的兩個目的：一個是合法通信雙方能夠覺察到潛在的竊聽者然后采用相關(guān)的措施；二是不管是想要破壞信息的破解者擁有多么強大的能力，都可以讓竊聽者沒有辦法破解量子密碼。這可以說，量子密碼技術(shù)是保障將來網(wǎng)絡通信安全一項重要的技術(shù)。

2 量子密碼的通信工作原理分析

量子通信技術(shù)是通信領域的一個重要的分支，他把量子態(tài)用作信息單元從而實現(xiàn)信息的有效傳遞，這是一種依靠基本的量子力學的通信技術(shù)，他是一種理論上的能夠證明是非常安全的通信保密技術(shù)。這種通信技術(shù)能夠在常規(guī)光纖通信線路上使用，這種應用是量子力學保密技術(shù)從理論進入到應用科學的一個明顯的標志。依據(jù)傳送類型的不同可以分成兩類：傳送經(jīng)典信息和傳送量子信息，經(jīng)典信息包括量子身份證、量子密碼和量子比特承諾，量子信息包括量子的隱形傳態(tài)和量子通信網(wǎng)路。量子密碼學科是量子力學結(jié)合量子密碼學的產(chǎn)物，所以這種信息的加密方法是使用量子狀態(tài)進行的，所以量子的一些比較特殊的性質(zhì)是能夠保證量子密碼技術(shù)安全的基礎條件。

一個量子物質(zhì)傳遞的過程，他和光在光纖里面?zhèn)魉突臼且粯拥?，此時如果一個偷聽的人想要在一個地方進行偷聽的行為，亦或者是想要將偷聽的信息復制下來，這個行為就好像是測量行為，所以這種測量的行為給量子體系造成的結(jié)果是對整個系統(tǒng)產(chǎn)生了破壞，因此結(jié)果就是一些被測量的信息消失不見，因此，在理論上來講，這是一種最安全的密碼。

3 量子通信原理

一個量子的系統(tǒng)包含許多例子，這些粒子是按照量子力學運動規(guī)律進行運動的，量子信息的處理研究方法把通過量子態(tài)作為信息承載體的技術(shù)理論和信息理論的。量子系統(tǒng)和經(jīng)典系統(tǒng)的最大分別是多個不同的狀態(tài)的疊加。把量子態(tài)作為表示信息的載體是現(xiàn)代量子信息的主要起點，相關(guān)的一些信息有關(guān)的所有問題一定要采用量子力學的理論來處理，這些信息的傳輸需要遵循薛定諤的方程規(guī)則，信息傳送方式為量子態(tài)在量子的通道中傳送，信息的處理是量子態(tài)中的幺正變化，信息的獲取其實是對量子態(tài)所實行的量子測量，這實際上是量子疊加原理。

量子通信除了能夠?qū)⒔?jīng)典信息里面的一些概念推廣以外，還將特有的量子糾纏理論放入從而創(chuàng)造了量子的隱形傳態(tài)，這是經(jīng)典的通信中一個不可思議的奇跡。1993年，Bennet等來自4個國家6位科學家把原來未知的量子態(tài)信息進行分類：量子信息、經(jīng)典信息，兩個部分由量子信道傳輸給接收者、經(jīng)典信道傳輸給接收者，而經(jīng)典的信息則是由發(fā)送者將原物的信息進行測量而獲取的，而量子信息則是由發(fā)送者實際測量信息沒有提取的其他一部分信息。接收者可以在對信息獲取后恢復原來的信息。

現(xiàn)行的經(jīng)典密碼的通信是基于經(jīng)典的信道安全與數(shù)學上的一些NP問題，他的安全性在一定意義上是相對的。特別是量子計算機的快速興起，這對經(jīng)典的密碼通訊造成了很大的沖擊。在1994年，Shor提出了可以在量子計算機里能夠?qū)崿F(xiàn)的算法，把大素數(shù)由NP問題想P問題進行轉(zhuǎn)化的因式分解。所以，人們迫切想要找到一個安全性能高的新密碼通信系統(tǒng)，這就是量子密碼的通信系統(tǒng)。量子密碼的通信實際上就是一個密鑰分發(fā)的過程，他的安全性主要是依賴量子力學里面的不確定原理、量子的不可復制定理與量子的性質(zhì)不可分割性，所以這信息竊聽者的任何操作都會把量子態(tài)破壞而被發(fā)現(xiàn)。與此同時，在密碼通信里面使用的密鑰本身就是一次性的便箋密鑰。這種密鑰的加密密碼在目前的數(shù)學上是被證明不可以破解的，這也是到目前為止為一個被證明不可破譯的密碼。

4 結(jié)束語

雖然如今的量子密碼技術(shù)距離現(xiàn)實中商業(yè)化的應用有著一段的路程要走，這其中還需要去解決一直問題，但是隨著量子密碼體系的深入研究，將來會有更多的好的方案被提出，近年以來，不論是在理論上還是在實踐中，量子密碼技術(shù)都在一直地進步中，在不久的未來，隨著單光子技術(shù)的探索，量子通信技術(shù)日常生活中的應用將會更加完善，量子密碼已經(jīng)成為了密碼學領域里的一員，在將來，量子計算機的廣泛使用，量子密碼也會在網(wǎng)絡通信的領域里取得更多的應用，我們也將迎來有一個新的量子信息時代。