量子加密技术原理

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量子通信技术的原理和进展

作者：孟颖 吕超 王加安 张冠阳 陈浩

来源：《中国新通信》2014年第24期

【摘要】 量子通信是经典通信与量子力学交叉结合所形成的一门新兴学科。本文概括了量子通信的基本概念及其主要技术量子秘钥分发和量子隐形传态的基本原理。同时介绍了量子通信在世界范围内的研究进展和发展前景。

【关键词】 量子通信 量子秘钥分发 量子隐形传态

一、前言

量子通信是量子信息技术的主要组成部分，它具有绝对保密，通信容量大，传输速度快等优点，可以完成经典通信所不能完成的特殊任务。量子通信可以利用无法破译的秘钥系统，实现真正意义上的保密通信，因此量子通信成为当今世界关注的科技前沿。量子通信是以量子态作为信息元实现对信息的有效传送。它是继电话和光通信之后通信史上的又一次革命。

二、量子通信的主要组成部分

2.1量子秘钥分发

量子秘钥分发不是用于传送保密内容，而是在于建立和传输密码本，即在保密通信双方分配秘钥，俗称量子密码通信[1]。

1984年，美国的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84协议，即用量子比特作为信息载体，利用光的偏振特性对量子态进行编码，实现对秘钥的产生和安全分发。1992年，

Bennett提出了基于两个非正交量子态，流程简单，效率折半的B92协议。这两种量子秘钥分发方案都是建立在一组或多组正交及非正交的单量子态上。1991年，英国的Ekert提出了基于两粒子最大纠缠态，即EPR对的E91方案。

1998年，又有人提出了在三组共轭基上进行偏振选择的六态方案量子通信，它是由BB84协议中的四种偏振态和左右旋组成。BB84协议被证明是迄今为止无人攻破的安全秘钥分发方式，量子测不准原理和量子不可克隆原理，保证了它的无条件安全性。EPR协议具有重要的理论价值，它将量子纠缠态与量子保密通信联系起来，为量子保密通信开辟了新途径。

什么是量子加密？

量子加密是一种利用量子力学原理来保护通信安全的技术。它基于量子物理学的原理，利用量子之间的相互关系来加密和解密信息，从而实现通信过程中的安全传输。与传统的加密方式相比，量子加密具有更高的安全性和不可破解性。

1. 量子加密的原理

量子加密的基本原理是利用量子纠缠和量子隐形传态的特性来实现安全传输。在量子纠缠中，两个或多个粒子之间存在着特殊的关系，它们的状态是相互依赖的。通过这种相互关系，即使只对其中一个粒子进行操作，另一个粒子的状态也会发生相应的变化。利用这个特性，发送方可以将信息转化为粒子的状态，并将其发送给接收方。接收方则通过测量粒子的状态来获取信息。

2. 量子加密的优势

相比传统的加密方式，量子加密具有以下几个明显的优势：

2.1. 完美安全性: 量子加密的安全性是建立在量子物理学的基础上的，几乎无法被破解。由于量子力学的不确定性原理，任何对量子状态的测量都会对其产生干扰，从而被攻击者所知。

2.2. 传输速度快: 量子传输的速度比传统加密方式更快。由于量子之间的相互关系可以实现瞬时传输，因此信息摆脱了传统通信中的“为光速限制”的局限。

2.3. 高度可靠性: 量子加密不容易受到干扰和攻击，可以有效防止信息被窃取和篡改。即使攻击者拦截了传输的量子粒子，由于其状态会发生变化，接收方会立即察觉到攻击行为。

3. 量子加密的应用

量子加密技术在信息安全领域具有广泛的应用前景。以下是其中的几个应用方向：

3.1. 量子通信: 量子通信是量子加密的最主要应用之一。在量子通信中，信息被转化成量子粒子的状态，并通过量子纠缠进行安全传输。这种方式无论是在长距离传输还是在短距离传输中都能够保证信息的安全性。

3.2. 量子密钥分发: 量子密钥分发是利用量子力学的原理来生成和分发密钥，从而实现加密和解密过程的安全性。通过使用量子密钥分发技术，可以有效地防止密钥被破解和窃取。

3.3. 量子密码学: 量子密码学是基于量子力学原理来设计和实现密码系统的一种技术。通过利用量子纠缠和量子隐形传态的特性，可以创造出一种新型的密码学系统，从而更好地保护信息的安全性。

量子纠缠和量子密匙

量子纠缠和量子密钥。量子纠缠是指两个或多个粒子之间的特殊关系，它们之间存在着一种非常强烈的联系，即使这些粒子在空间上相隔很远也能够互相影响。而量子密钥则是利用了这种现象来实现加密通信，通过共享一个只有发送方和接收方知道的秘密“密码”，来保证信息传输的安全性。以下是中文生成内容：量子纠缠和量子密钥都属于基础物理学领域中比较前沿且重要的概念。在目前科技水平下，我们已经可以通过各种手段制备出具有高度纯度、稳定性以及可控性质的单光子源，并将其应用于相关实验研究当中。对于量子纠缠，人们已经发现了许多奇妙而又神秘的效应。例如，在进行Bell态测量时会得到一组非常特殊且不符合经典物理规律的结果；同时，在使用EPR思想构建起来的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(简称EPR)实验中也发现了类似于“超距作用”的效应等等。至于利用量子纠缠进行加密通信，则需要先建立起一个安全、稳定并且长时间持续运行（如数十秒钟） 的“配对”状态，并从其中提取出一些随机数作为加解密所需使用到的秘钥。由于任何外部干扰都可能导致此状态被损坏甚至消失，因此需要采取各种方法确保其安全性与完整性。总体而言，在未来几十年内，人类对于这两个概念以及涉及到它们背后原理与技术方面仍然会有更深入地认识与探索。

量子密码学第一原理

量子密码学的第一原理是利用量子力学的特殊性质来保障通信的安全。这些特殊性质包括：

1.量子态的制备和测量。

量子力学的一个基本特征是单个粒子的状态可以被表示为一个数学上的向量，也称为量子态。在量子密码学中，一方将一个量子态发送给另一方，这个量子态可以类比为一个加密后的信息。由于量子态的测量会对其自身产生影响，因此在未经授权的情况下，任何人都不能复制和分解这个量子态，也不能窃取其中的信息。

2.量子态的非克隆性。

在经典密码学中，一次成功的密码破解攻击可以复制并重复攻击过程，就像钥匙开锁一样。然而，在量子密码学中，量子态的非克隆定理规定了任何未经授权的双方都无法精确复制一个量子态，因此窃取信息的行为会立即被发现。

3.量子纠缠。

量子纠缠是另一种量子力学特有的非经典现象。当两个量子系统处于纠缠态时，它们的状态变成了互相依存的。如果牵涉到其中一个量子系统的任何行为，都会影响到另一个量子系统的状态。在量子密码学中，利用纠缠态可以创建实现传统加密技术无法实现的安全性级别。

这些量子力学的特殊性质使得量子密码学可以提供比传统密码学更高的安全性，是未来互联网安全的重要研究方向之一。