量子密码学理论基础共17页

量子密码学的原理和实践随着现代互联网的高速发展，保障网络安全已经成为了全球范围内的一项重要任务。

然而，传统的密码学技术已经难以满足对安全性的高要求。

因此，量子密码学作为一种全新的密码学技术，正逐渐被业界所关注。

本文将从理论和实践两个方面，介绍量子密码学的基本原理和应用。

1、量子密码学理论基础量子技术的最大特点是“纠缠”和“不可观测性”等概念。

在传统密码学技术中，加密过程是通过使用好的算法来保护密钥的安全性。

而在量子密码学中，却是通过物理规律来实现的。

量子密码学的主要基础就在于量子态中的保密性。

量子态的保密性是利用了物理实验发现的量子规律，不同于传统的加密算法。

首先，量子算法基于非常小的物理系统，即单个光子、电子、原子等。

由于单个基元的稳定性有限，所以信息交换过程中，即使在被攻击的情况下，量子态的安全性始终能够得到保证。

其次，量子保密技术具有自校验和完整性保护等特点。

量子纠错和量子认证等技术，不仅仅能够保证加密信息的安全性，还能有效地抵御内部和外部的攻击，使之更具有完整性。

2、量子密码学实践应用随着量子密码学原理的发展，量子加密技术在实践中也得到了应用。

目前，量子密钥分发（QKD）被认为是量子加密技术中最具有潜力的应用之一。

其基本实现原理是利用公共信道分发干扰信息，将密钥共享过程保持在互不干扰的情况下进行。

此外，量子隐形传态、量子签名以及量子认证技术，同样也在实践中得到了广泛的应用。

量子签名技术和量子认证技术的安全模型完美地解决了公证和信任问题，可在金融、医疗、电子商务等领域中得到充分应用。

3、量子密码学的发展与前景与传统的加密技术相比，量子密码学具有很多优势，例如信息的安全性更强，攻击成本更高等。

因此，量子密码学具有巨大的发展潜力和市场价值。

然而，量子密码学在实践上也存在着困难和挑战。

其中，光学仪器的制造难度、高成本、设备技术复杂性等问题，都成为了限制其发展的瓶颈。

总的来说，量子密码学是一项前沿领域的技术，对于确保网络交换信息的安全保障意义重大。

1、量子密码技术的原理：量子密码体系采用量子态作为信息载体，经由量子通道在合法的用户之间传送密钥。

量子密码的安全性由量子力学原理所保证。

所谓绝对安全性是指：即使在窃听者可能拥有极高的智商、可能采用最高明的窃听措施、可能使用最先进的测量手段，密钥的传送仍然是安全的。

通常，窃听者采用截获密钥的方法有两类：一种方法是通过对携带信息的量子态进行测量，从其测量的结果来提取密钥的信息。

但是，量子力学的基本原理告诉我们，对量子态的测量会引起波函数塌缩，本质上改变量子态的性质，发送者和接受者通过信息校验就会发现他们的通讯被窃听，因为这种窃听方式必然会留下具有明显量子测量特征的痕迹，合法用户之间便因此终止正在进行的通讯。

第二种方法则是避开直接的量子测量，采用具有复制功能的装置，先截获和复制传送信息的量子态。

然后，窃听者再将原来的量子态传送给要接受密钥的合法用户，留下复制的量子态可供窃听者测量分析，以窃取信息。

这样，窃听原则上不会留下任何痕迹。

但是，由量子相干性决定的量子不可克隆定理告诉人们，任何物理上允许的量子复制装置都不可能克隆出与输入态完全一样的量子态来。

这一重要的量子物理效应，确保了窃听者不会完整地复制出传送信息的量子态。

因而，第二种窃听方法也无法成功。

量子密码术原则上提供了不可破译、不可窃听和大容量的保密通讯体系。

在介绍量子密码学之前，先引进量子力学若干基础知识，其中之一是“测不准原理”。

测不准原理是量子力学的基础原理。

微观世界的粒子有许多共轭量，比如位置和速度，时间和能量就是一对共轭量，人们能对一对共轭量之一进行测量，但不能同时测得另一个与之共轭的量，比如对位置进行测量的同时，破坏了对速度进行测量的可能性。

量子密码学便是利用量子的不确定性，构造一安全的通信通道，使任何在信道上的窃听行为不可能对通信本身产生影响，使达到窃听失败的目的，以保证信道的安全。

根据量子力学，微观世界的粒子不可能确定它存在任何位置，它以不同的概率存在于若干不同的地方。

信息安全中的量子密码学随着通信技术的迅速发展，信息安全问题越来越受到关注。

为了保护信息的安全性，传统的密码学已经不再足够安全。

在这种情况下，量子密码学作为一种绝对安全的信息加密技术，受到越来越多的关注。

本文将从量子密码学的基础理论、技术原理、应用及未来发展等方面进行探讨。

一、量子密码学基础理论在传统密码学中，信息的安全性主要依赖于密码算法的复杂度和密钥的保密性。

然而，量子计算机的发展已经使传统密码学面临着巨大的威胁。

相比之下，量子密码学是一种基于量子力学原理的新型密码学，它具有绝对安全性，无法被破解。

量子密码学的基础理论主要包括两部分：量子密钥分发协议和量子公钥密码学。

量子密钥分发是一种建立秘密密钥的方法，它利用量子通信中的观测效应来实现信息的传输。

量子公钥密码学则是一种使用公钥和私钥实现加解密过程的方法，它利用量子力学中的超级位置和纠缠效应来实现信息的加密和解密。

二、量子密码学技术原理量子密钥分发协议是量子密码学最重要的技术之一。

它基于量子叠加和量子纠缠的原理，实现了无条件安全的密钥交换。

在这个过程中，双方使用相同的密钥协议，在量子通信中传输量子纠缠态。

这种情况下，第三方窃听者无法窃取密钥，因为他们的干扰会破坏量子态，并导致通信中的错误。

量子公钥密码学的原理也是基于量子纠缠和超级位置的原理。

在量子通信中，只要信息的量子态被观测，就会被改变。

因此，量子公钥加密利用这种纵向不连续性来保证信息的安全性。

通常，发送方使用公钥加密信息，并将其发送给接收方。

接收方使用私钥解密信息并读取消息。

这样，即使第三方读取了加密信息，也不能破解信息，因为只有拥有私钥的人才能解密信息。

三、量子密码学的应用量子密码学有广泛的应用。

例如，在量子通信中，量子密钥分发协议可以确保信息的安全性。

在量子计算中，量子公钥密码学可以节省计算机算力和存储能力。

同时，量子密码学也适用于购物和银行交易等场景下的安全传输。

四、量子密码学的未来发展量子密码学的未来发展非常广阔。

量子密码学密码学(cryptography)简单的说就是通过某种方式只能将信息传递给特定的接受者。

实现的手段基本上就是对要传递的信息实行加密 (encryption) 和解密 (decryption) 算法，从而使任何其它人没有办法获得原始信息。

密钥 (key) 指的是一串特定的参数，发送信息的一方用密钥和原始信息进行加密运算得到密文 (cryptogram)，接收方用密钥和密文进行解密运算得到原始信息。

加密和解密的算法是公开的，密文的保密性依赖于密钥的保密性。

密钥的保密性依赖于密钥的随机性和有足够的长度。

密钥分两类，一类是对称密钥 (Symmetric key) ，发送和接收方用同样的密钥进行加密解密，比如DES (Data Encryption Standard) 算法；另一类是非对称密钥 (Asymmetric key) ，发送和接收方用不同的密钥进行加密解密，发送方用公用密钥 (Public key) 加密，接收方用私有密钥 (Private key) 解密。

两个密钥有一定的数学关系，但是很难从公用密钥获得私有密钥，比如RSA算法采用的分解大数法。

一旦双方获得相应的密钥，密文就可以在公共信道上传递而不必顾忌公共信道上可能存在的窃听者，因为窃听者没有密钥，无法成功解密。

但是为了通信双方成功建立密钥，必须要有一个可靠和高度机密的信道传递密钥。

然而从理论上说，任何经典的密钥传递 (key distribution) 都不能保证总能察觉密钥是否被窃听。

因为经典的信息是无法区分的 (跟量子相比) ，窃听者可以读取信息然后还原该信息，接收方无法知道中间是否发生过窃听。

非对称密钥的好处就在于避免了密钥的传递，由于双方的密钥有一定的数学关系，但又不是用现有的计算能力能够快速破解的，比如RSA的分解大数关系，所以达到保密的目的。

这种方法的缺陷在于如果有一种比现有快很多的计算方法出现，就很容易获得私有密钥。

量子密码术用我们当前的物理学知识来开发不能被破获的密码系统，即如果不了解发送者所使用的密钥，接受者几乎无法破解并得到内容。

基本概念编辑量子密码术与传统的密码系统不同，它依赖于物理学作为安全模式的关键方面而不是数学。

实质上，量子密码术是基于单个光子的应用和它们固有的量子属性开发的不可破解的密码系统，因为在不干扰系统的情况下无法测定该系统的量子状态。

理论上其他微粒也可以用，只是光子具有所有需要的品质，它们的行为相对较好理解，同时又是最有前途的高带宽通讯介质光纤电缆的信息载体。

工作原理编辑理论模式理论上，量子密码术工作在以下模式（这个观点是由Bennett和Brassard于1984年开发的传统模式，其他的模式也存在）：假设两个人想安全地交换信息，命名为Alice和Bob。

Alice通过发送给Bob一个键来初始化信息，这个键可能就是加密数据信息的模式。

是一个随意的位序列，用某种类型模式发送，可以认为两个不同的初始值表示一个特定的二进制位（0或1）。

我们暂且认为这个键值是在一个方向上传输的光子流，每一个光子微粒表示一个单个的数据位（0或1）。

除了直线运行外，所有光子也以某种方式进行振动。

这些振动沿任意轴在360度的空间进行着，为简单起见（至少在量子密码术中可简化问题），我们把这些振动分为4组特定的状态，即上、下，左、右，左上、右下和右上、左下，振动角度就沿光子的两极。

过滤器，它允许处于某种振动状态的原子毫无改变的通过，令其他的原子改变震动状态后通过（它也能彻底阻塞光子通过，但我们在这里将忽略这一属性）。

Alice有一个偏光器允许处于这四种状态的光子通过，实际上，她可以选择沿直线（上、下，左、右）或对角线（左上、右下，右上、左下）进行过滤。

Alice在直线和对角线之间转换她的振动模式来过滤随意传输的单个光子。

这样时，就用两种振动模式中的一种表示一个单独的位，1或0。

当接受到光子时，Bob必须用直线或对角线的偏光镜来测量每一个光子位。

量子密码学的基本原理与应用实例量子密码学是一种基于量子力学原理的密码学方法，是为了在加密和解密过程中保护信息免受未经授权的访问和攻击而发展的一门学科。

相对于传统的密码学方法，量子密码学的基本原理和应用具有许多独特的优势，被认为是未来信息安全领域的重要发展方向之一。

量子密码学的基本原理可以归结为两个重要概念：量子纠缠和量子不可克隆性。

量子纠缠是指通过特殊的量子操作，将两个或多个量子比特（qubits）之间建立起一种特殊的纠缠关系，使得它们之间的状态相互关联，即一个量子比特的状态的改变会影响到其他相关的量子比特的状态，这种关联关系是无法通过经典手段复制或破解的，因此可以用来保护信息传输的安全性。

量子不可克隆性是指量子态的不可复制性，即无法精确复制一个未知的量子态。

这意味着，如果尝试对量子信息进行测量或复制，必然会对其状态产生干扰，进而破坏信息的完整性，因此可以实现加密和身份认证等安全任务。

量子密码学的应用有许多实例，下面介绍几个典型的案例。

第一个应用实例是量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）。

QKD是量子密码学最早得到实际应用的一种方法，旨在解决密钥分发过程中的安全性问题。

传统的密钥交换方式通常存在安全性隐患，容易被窃听者利用信息采集技术获取密钥信息。

而通过量子纠缠和量子态的测量，QKD可以实现安全的密钥分发，保护通信双方的密钥免受窃听和篡改。

实际上，QKD已经成功应用于银行、政府机构等对安全性要求较高的领域。

第二个应用实例是量子认证（Quantum Authentication）。

传统的身份认证方式通常依赖于密码或证书的验证，容易受到密码泄露或伪造攻击的影响。

而利用量子态的不可复制性和量子纠缠的特性，量子认证可以实现更高的安全性和可信度。

例如，利用量子纠缠可实现量子密钥认证（Quantum Key Authentication，QKA），在安全通信过程中通过验证量子密钥的完整性和准确性来验证通信双方的身份，防止中间人攻击和冒充。

量子密码学
量子密码学是一种使用量子物理原理实现安全通信的技术。

它采用量子物理学中的量子态，例如量子位置、量子旋转或量子偶极，作为加密机制来保证信息传输的安全性。

比如一条新闻消息传输时，将每一段信息映射到一种量子态，接收方可以通过读取这些量子态来推算出信息的内容。

量子密码通信优势明显：一方面，由于量子密码的加密机制无法被解密，就算对方截获了内容也无法推导出信息原文，使用者的数据隐私安全有保障；另一方面，量子密码考虑了破坏性的攻击，可以检测出外部干扰，保证信息传输的可靠性。

不仅如此，量子密码学还采用了人工智能算法改进了传统密码学的安全特性，提高了传输效率与传输安全性。

最重要的是它采用可重用秘钥，秘钥在传输过程中不断地更新，这种技术能够保证安全性，避免暴力攻击和其他攻击。

当今网络通信技术面临很大的威胁，量子密码学被视为下一个超级安全的通信技术，正在攻破通信技术的藩篱，实现安全数据传输。

目前，量子密码技术已广泛应用于银行、军事通信系统等关键领域，保障了政府、企业以及普通用户的隐私加密安全。

量子密码学的基本原理及应用示例量子密码学是一种基于量子力学原理的安全通信方法，通过利用量子特性来保障信息的安全性。

与传统的密码学相比，量子密码学能够提供更高级别的安全性，因为量子力学的性质使得任何对信息的窃听、篡改和伪造都会被立即检测到。

本文将介绍量子密码学的基本原理，并举例说明其在实际应用中的一些示例。

量子密码学的基本原理包括量子键分发、量子信息编码和量子密钥分发。

量子键分发是量子密码学的核心概念，它利用量子纠缠和量子不可克隆性原理来达到密钥分发的安全性。

量子纠缠是指两个或多个量子系统之间存在着非经典的相互关联，其测量结果之间具有确定性的关系。

通过将两个量子比特进行纠缠，然后测量其中一个比特的状态，可以保证另一个比特的状态也会发生相应的变化。

这种纠缠关系使得任何对量子比特的窃听都会导致其状态被改变，并能够通过比特间的纠缠关系来检测窃听的存在。

量子信息编码则是将传统的数字信息编码成量子比特的形式，并将其传输到接收方进行解码。

在传统的密码学中，信息编码的安全性依赖于密码的复杂性和加密算法的强度。

然而，在量子密码学中，信息编码的安全性取决于量子比特的性质，如不可克隆性和纠缠关系。

由于量子比特的状态在测量之前无法被知晓，即使敌方拥有传输的量子比特，也无法获取到其中的信息内容。

量子密钥分发是利用量子纠缠和量子信息编码来分发密钥并确保其安全性。

在密钥分发过程中，发送方通过将密钥编码为量子比特并发送给接收方。

接收方在接收到量子比特后，利用纠缠关系测量其中的比特，并根据测量结果重建密钥。

由于量子比特的状态在传输过程中是保持秘密的，同时量子纠缠的特性也可以检测到任何对密钥的窃听行为，因此量子密钥是安全的。

量子密码学在实际应用中有许多示例。

其中最重要的应用之一是量子密钥分发用于安全通信。

通常在传统的通信中，公钥密码学被用于安全地交换密钥，但该方法仍然存在被窃听和破解的风险。

通过使用量子密钥分发，可以确保密钥在传输过程中不会被窃听，从而实现了更高级别的安全性。

在今天的信息时代，确保防止信息的泄漏，并保证其整体完整性和真实性是人们所迫切需要的，除了制订相应的法律来保护敏感信息外，采用密码技术就是一种经济而有效的方法。

密码学包括两部分内容：一是加密算法的设计和研究；二是密码分析，所谓密码分析，就是密码破译技术密码分析是研究破译的一门技术。

也就是在不掌握密钥的情况下，利用密码体制的弱点来恢复明文的一门学科。

什么是密码？简单地说就是一组含有参数k的变换E。

设已知信息m（称作明文），通过变换Ek得密文c，即：c= Ek (m)这个过程之为加密，参数k称之为密钥。

加密算法E确定之后，由于密k不同，密文c 也不同。

当然不是所有含参数k的变换都可以作为密码，它要求计算Ek (m)不困难，而且若第三者不掌握密钥k，即使获得了密文c，他也无法从c恢复信息m，也就是反过来从c求m极为困难。

从密文c恢复明文m的过程称为解密。

解密算法D是加密算法E的逆运算，解密算法也是含有参数k的变换。

通信双方一发信方，简称发方，另一方为收信方简称收方。

一.量子密码学的产生20世纪初发生了两大物理学革命：相对论和量子力学。

这两大革命把物理学的研究领域从经典物理学的宏观世界分别扩展到了宇观世界和微观世界。

量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限，于是便诞生了一门新的学科分支――量子信息科学。

它是量子力学与信息科学相结合的产物，包括：量子密码、量子通信、量子计算等，近年来，在理论和实验上已经取得了重要突破，引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。

现有的经典信息以比特作为信息单元，从物理角度讲，比特是个两态系统，它可以制备为两个可识别状态中的一个，如是或非，真或假，0或1。

在数字计算机中电容器平板之间的电压可表示信息比特，有电荷代表1,无电荷代表0。

一个比特的信息还可以用两个不同的光偏振或原子的两个不同能级来编码。

量子密码入门总述：量子密码是采用量子力学原理，通过公开的信道在异地用户之间能严格保证分配过程安全的密钥分配方法，因此可以说：量子密码=量子密钥分配。

量子密码的本质是用于解决分配问题的私钥体系，其意义在于：它是解决现有密码体系的本质问题的一种新的密码学方法。

量子密钥分配的安全保证主要有：A. 以单光子(量子)携带信息, 不怕敌人分取信息;B. 量子不可克隆定律保证敌人不可能拷贝信息。

——基于物理层面的安全性一、引言随着计算机网络技术的持续、快速发展，网络通讯、电子商务、电子政务、电子金融等应用使我们越来越多地依赖网络进行工作和生活，大量敏感信息需要通过网络传输，人们需要对自己的信息进行保护以免被窃取或篡改，密码学为我们提供了有力的保证。

而随着密码学的发展，量子密码开始走入人们的视线。

量子密码是以现代密码学和量子力学为基础、量子物理学方法实现密码思想和操作的一种新型密码体制。

这种加密方法是用量子状态来作为信息加密和解密的密钥。

量子的一些神奇性质是量子密码安全性的根本保证。

与当前普遍使用的以数学为基础的密码体制不同，量子密码以量子物理原理为基础，利用量子信号实现。

与数学密码相比，量子密码方案具有可证明安全性（甚至无条件安全性）和对扰动的可检测性两大主要优势，这些特点决定了量子密码具有良好的应用前景。

随着量子通信以及量子计算术的逐渐丰富与成熟，量子密码在未来信息保护技术领域将发挥重要作用。

（一）量子密码的起源最早想到将量子物理用于密码术的是美国科学家威斯纳（Stephen Wiesner）。

他于1970年提出，可利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。

但这个设想的实现需要长时间保存单量子态，不太现实，并没有被人们接受，但他的研究成果开创了量子密码的先河，在密码学历史上具有划时代的意义。

直到1984年贝内特（Charles H. Bennett）和布拉萨德（Gilles Brassard）提出著名的量子密钥分配协议，也称为BB84方案，由此迎来了量子密码术的新时期。