量子密码应用的原理

信　电技术　２０１５年（第４４卷）第１１期　希尔密码原理及应用实例　丁　茜　（中国人民解放军９４１５９部队，甘肃兰州７３００２０）　摘要：为了实现通信双方的信息安全，从密码学原理人手分析了希尔密码的特点及加解密原理及过程，并给出了应用实　例，最后对希尔密码的安全性给出了简单分析，发现了希尔密码引入字符（信息）与数字对应表和加密矩阵，克服了传统古　典密码易由字符统计频率破解的弊端，可作为其他密码体系的致乱工具。　关键词：希尔密码；加密；解密　０引言　１　希尔密码的加密与解密原理　随着信息化社会进程的不断深入，计算机科学计　算、网络通信计算得到了极大的发展和广泛的应用。信　息安全在情报传递、电子商务、办公自动化、商品质量　溯源、物流管理等环节扮演着极其重要的角色。通常信　息安全主要解决信息保密性、真实性、完整性、未授权　拷贝和所寄生系统的安全性问题。现代信息安全理论　的核心问题就是密码学原理及其应用，出现了大量的　密码体系及各自破解方法，加密方法包括对称密码体　制和公钥密码体制，而且两者结合的混合体制也受到　研究学者越来越多的关注。密码是为了实现通信双方　信息安全，采用特定的法则编制的明密变换符号，以防　止第三者对信息的截取［１］。在密码学中，需要变换的原　消息称为明文消息，明文经过变换成为另一种隐蔽的　形式称为密文消息，完成变换的过程称作加密，其逆过　程（由密文恢复出明文的过程）称作解密ｔ２１。保密通信机　理如图１所示。　加密Ｅ：ｃ＝Ｅｋ（ｍ）　解密Ｄ：ｍ＝Ｄ　（ｃ）　图１通信机理　其中，ｍ为明文，ｃ为密文，　为密钥。加密算法：通　过　对ｍ进行运算生成ｃ的算法，记为Ｅ。解密算法：　通过｜ｊ｝对ｃ进行运算生成ｍ的算法，记为Ｄ。加密和解　密过程分别记为ｃ＝　（ｍ）和ｍ＝Ｄ　（ｃ　ｏ　希尔密码是一种基于矩阵的线性变换的多字母代　换多表密码体制，相对于凯撒密码、棋盘密码、维吉尼　亚密码、普莱费尔密码以及仿射密码等古典密码而言，　其优势在于隐藏了字符的频率信息，抵抗统计分析，使　得通过字频破译密文的传统方法失效。希尔密码主要　特点有：（１）可以较好地抑制自然语言的统计特性，对　抗“仅有密文攻击”有较高强度；（２）密钥空间大，具有　一定的抗暴力攻击能力；（３）在已知一定明、密文对的　情况下，容易重构出加密矩阵，易受已知明文攻击，但　仍可以作为其他密码体系的致乱工具［３】。　在希尔密码加密过程中，明文被分成ｍ个字母构　成的若干分组，最后一组不够ｍ个字母则用其他字母　补足，每次加密一个分组，分组中的每一个字符都对分　组中另外一个字符的加密起作用，每组用ｍ个密文字　母代换，这种代换由ｍ个线性方程决定，其中字母ａ　ｚ分别用数字０，１，２，…，２４，２５表示。加密算法基本思　想是将Ｚ个明文字母通过线性变换将它们转换为Ｚ个　密文字母的加密算法，加密算法的密钥Ｋ就是一个变　换矩阵本身，即：Ｍ＝ｍ１ｍ２…ｍｔ，　（Ｍ）＝Ｃ］Ｃ２…Ｃｔ。　其中【Ｃ　＝：ｋ　ｌｌ１ｍ，　１＋十ｋ　ｌ２ｚ　ｍ２２＋十．…．．ｋ　ｌ，，ｍ　，Ｌ（ｍｍ。ｏＱｄ　ｎ　））　作者简介：丁茜（１９７３一），女，汉族，陕西绥德人，大学本科，工程师，主要研究方向：计算机网络安全。　

龙源期刊网

量子密码通信原理及应用前景探究

作者：侯林林

来源：《科学之友》2009年第04期

摘 要：文章主要介绍量子密码通信研究的历史，量子密钥生成和分发的基本原理以及相关的实验进展。首先介绍了经典密码学的基本原理及其保密方式，经典密码通信对更高安全性的追求，为量子密码通信的出现以及研究做了一个铺垫。根据量子力学中的海伯森不确定性原理，量子不可克隆原理，任何人都不可能窃听量子密码通信中的信息而不被发现。文章主要围绕BB84协议与B92协议，以及EPR佯谬的基本原理来展开讨论。在此基础之上介绍了当前世界范围内相应的实验研究及研究成果，并详细介绍了量子密码通信在国内的有关实验及研究成果。最后展望了量子密码通信的发展前景和今后的发展方向。关键词：密码学；量子不确定性原理；量子密钥；量子密钥分配

中图分类号：TN913文献标识码：A文章编号：1000-8136(2009)11-0143-02

1917年，英国破译了德国外长齐默尔曼的电报，促成了美国对德宣战。1942年，美国从破译日本海军密报中，获悉日军对中途岛地区的作战意图和兵力部署，从而能以劣势兵力击破日本海军的主力，扭转了太平洋地区的战局。在保卫英伦三岛和其他许多著名的历史事件中，密码破译的成功都起到了极其重要的作用，这些事例也从反面说明了密码保密的重要地位和意义。

1 经典密码通信原理

保密通信的目的是让通信双方互相交流信息而不让非法第三者窃取或破坏信息的内容。早密码中，发送者、接受者及窃听者各有惯用名，分别取为Alice，Bob和Eve，以下简称Ａ，Ｂ和Ｅ。 龙源期刊网

通常说的对信息加密就是对信息明文M惊醒数据的变换GＫ，得出密文C：GＫ（M）＝C

密文发给合法的接受者，通过逆变换进行解密，恢复原明文M：GＫ－１（C）＝M．

应用

Technology ApplicationDIGITCW技术

192DIGITCW2019.061 引言2016年，世界第一个量子卫星“墨子号”成功地发射升空，更使得处在科技飞速发展时代的人们越发开始关注量子科技。20世纪，电子计算机的出现改变了世界科技发展的进程，在物理学史册中留下了浓墨重彩的一笔。而量子力学的诞生更是颠覆了人们对传统物理的思考。上世纪80年代，人们开始思考是否可以在经典计算机上实现量子算法，于是量子计算这样一个交叉融合了多个学科的新学科就应运而生。在学科不断发展、前进的过程中，量子计算机应运而生，成为世界科技瞩目的尖端技术手段。在研究电子计算机芯片时人们发现，能耗问题导致了计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片集成度，进一步限制了计算机的运行速度。而能耗的根源即是电子计算中的不可逆操作。摩尔定律告诉我们，以现在科技发展的速度，每隔大约两年，集成电路可以容纳的元件数就会增加一倍。半导体技术的发展日新月异，计算机芯片正在渐渐地迈向物理的极限。人们认识到电子计算机的发展正渐渐受到例如量子效应，元件热效应，集成电路密度等物理极限的束缚：而一些输入规模较大的问题利用现有算法很难在可接受的时间内解出。这被认为是量子计算机的一个研究动机。当电路粗细跨过某个临界值时，电子元件工作时将会出现新的物理现象，这是过去令其工作的理论基础不再奏效，这被称为量子效应。量子计算机正是在这理论基础下诞生了。2 量子计算机工作原理以KONRADZUSE创造的第一台电子计算机为开端的传统意义上的计算机遵循的是经典物理规律，通过操纵代表一位信息（“0”或“1”）的每个晶体管执行计算。而量子计算机主要是基于量子干涉等量子力学规律来快速地运行庞大的数学和逻辑计算、存储并处理信息。量子计算采用量子位，一个量子叠加态运行1个量子比特可同时储存两个传统意义上的信息。量子位可以用二本征态的量子系统来实现。量子位处于叠加态时所有组成态的信息以概率分布，将算符作用在这种叠加态上，就相当于同时对其所有组态进行操作，从而实现量子算法。几百个量子位可以储存大量数字，并且量子计算机能对这些数字同时进行运算，按一定的概率振幅叠加起来，得到计算机的输出结果。2.1 量子计算的步骤量子计算的步骤可概括为“入”、“算”、“出”三个步骤。即：初化、演化、测量。（1）初化。将经典信息转化为量子信息。这是信息进入量子计算的过程，此时经典信息通过编码转化成相应的量子态。（2）演化。量子态依据量子力学原理进行幺正变换。通过第一步得到的信息依照量子算法得出计算结果。（3）测量。第二步骤幺正变换结束后的计算结果在这一过程中转化为经典信息。2.2 量子计算机的优点（1）信息表示与储存经典计算中信息数据都是以二进制的形式表示并存储的。而量子态的叠加性使得任意量子态可储存为“0”和“1”的线性叠加。这样，量子数据和量子信息可以以量子态的形式被储存和表示。这种存储和表示相比较经典的存储形式有着显著的优势——量子位的线性增长会令其存储空间和表示空间进行指数规模的拓展，这是因为量子计算机在运行中，量子信息是以单量子态为储存单位的量子位为度量单位的。（2）并行计算量子计算机相比较于经典计算机，一个凸出的优点便是采用量子并行计算。经典计算机多为线性算法，而量子计算机却大多使用量子多项式算法。1994年，SHOR证明量子计算机并行算法能够有效而快速地地进行大数因子分解。经典计算机工作时是一条线工作，也就是说经典算法是通过多次计算或者是通过多个处理器并行工作完成的。但是量子计算机只需要一次运算（幺正变换）就可以完成对所有叠加态的计算。（3）量子纠缠态如果量子系统中的量子位处于纠缠态，那么它们就不能被表示成子状态的张量积的形式。量子纠缠是量子力学中重要概念，这种现象的独特性在于这种关联跨越了时空，它使得两个处于纠缠态的量子态具有瞬时相关性，也就是说无论二者的物理距离多么的遥远，只要改变其中一个的状态，就会使得另一量子态发生瞬时的变化。很多计算难度系数高的问题，不能够被经典计算机有效计算，而量子纠缠态使得量子计算机相比于经典计算机有了更明显的优势。《自然》杂志发表的一篇文章显示，利用量子纠缠态，可以将物质的未知量子态精确地传送到遥远地点，而物体本身却不需要移动。截止目前，基于量子纠缠的隐形传态通信实验已经获得成功。量子纠缠也在量子通信、量子密匙分配和量子超密编码等方面起着关键的作用。（4）可逆运算早在20世纪70年代人们就发现，能耗问题在很大程度上影响着芯片的集成度，而能耗的根源在于自由度的减小。自由度的减小意味着减小一部分动能，根据能量守恒定律，减小的动能便会转化成势能和热能。这一切原因都来自经典计算机的不可逆操作。而量子计算机保留一个无用比特，将不可逆操作变成可逆操作，用一个幺正变换可代表一次量子计算机计算。3 量子计算机的应用量子计算机一个最有优势的应用便是加密解密。前文提到的量子计算机可以有效地进行大数因式分解，而这也意味着电子银行、网络等领域的密码体系会得到致命冲击。而科学家也已经证明密级最高的1024位公钥密码体制，使用“1024量子比特”的量子计算机，破解只需要5天的时间，可见量子计算机对世界密匙系统将会带来前所未有的挑战。许多国家现在已经开始进行相关领域的研究，2016年4月，美国国家标准与技术研究所开始了一项持续4到6年的公开评估过程，同时也很有可能会使用量子纠缠的单向排列来开发量子加密方法。与此同时，量子计算机还将在粒子物理学、金融模型、人工智能、分子模型等方面起到举足轻重的作用。4 结束语量子计算机目前，还有一些问题亟待解决。执行运算的量子比特会与外界环境发生作用。其作用会导致结果相（下转第186页）浅析量子计算机的原理与应用乔佳韵（山东省青岛第二中学，青岛 266100）摘要：量子计算机是通过模拟量子系统，利用量子算法实现计算的一类机器。它是以量子力学为基础，可以进行逻辑运算，信息存储，并可以实现高速数学运算的物理装置。本文阐述了量子计算机研究动因、工作原理、计算步骤、优点等。文章结合量子计算机目前发展历程，对其应用与发展进行了解释与设想。关键词：量子计算机：量子计算：量子纠缠doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.06.155中图分类号：TP38 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）06-0192-02应用

龙源期刊网

量子点材料发光原理及其应用

作者：夏雅兵 王瑞琳 董小婷

来源：《科学与财富》2013年第01期

摘要：近几年，宽禁带纤锌矿半导体ZnO由于其在蓝光和紫外区域光器件的应用越来越受到人们的关注，而且在短波光学装置方面已成为最佳候选材料，比如紫外探测器、激光二极管等。本文介绍了量子点材料的发光原理及其应用。

关键词：量子点 发光 量子点尺寸效应

近几年来，宽禁带半导体发光材料引起人们极大的兴趣，是因为这些材料在蓝光及紫外光发光二极管、半导体激光器和紫外光探测器上有重要的应用价值。这些器件在光信息存储、全色显示和紫外光探测上有巨大的市场需求，人们已经制造出III族氮化物和ZnSe等蓝光材料，并用这些材料制成了高效率的蓝光发光二极管和激光器，这使全色显示成为可能。量子点（QuantumDot）凭借自身独特的光电特性越来越受到人们的重视，成为研究的热点。

由于量子点所具有的量子尺寸、量子隧穿、库仑阻塞、量子干涉、多体关联和非线性光学效应非常明显，故在低维量子结构的研究中，对载流子施以尽可能多的空间限制，制备零维量子点结构并开发其应用，受到世界各国科学家和企业家的高度重视。

1、半导体量子点的制备方法

高质量半导体量子点材料的制备是量子器件和电路应用的基础，如何实现对无缺陷量子点的形状、尺寸、面密度、体密度和空间分布有序性等的可控生长，一直是材料科学家追求的目标和关注的热点。

应变自组装量子点结构生长技术是指在半导体外延生长过程中，由于衬底和外延层的晶格失配及表面、界面能不同，导致外延层岛状生长而制得量子点的方法。这种生长模式被称为SK生长模式。外延过程的初期为二维平面生长，平面生长厚度通常只有几个原子层厚，称为浸润层。随浸润层厚度的增加，应变能不断积累，当达到某一临界层厚度时，外延生长则由二维平面生长向三维岛状生长过渡，由此形成直径为几十纳米、高度为几纳米的小岛，这种材料若用禁带较宽的材料包围起来，就形成量子点。用这种方法制备的量子点具有尺寸小、无损伤的优点。用这种方法已经制备出了高质量的GaN量子点激光器。