量子 共享密钥 密钥池

量子密钥原理
1. 什么是量子密钥原理
量子密钥原理又称为量子密钥分配，是利用量子物理学原理来实现安全通信的方法。

该方法是通过光子间的量子纠缠实现随机密钥分配，从而确保信息传输的安全、保密和不可破解性。

2. 量子密钥原理的核心原理
量子密钥原理的核心原理是光的量子特性和光子的单光子检测技术。

采用光的量子特性制备出可控的纠缠态，将复杂的随机数变为量子态，通过量子态测量的方式让远程通信的两个终端都能获取一个完全相同的随机密钥。

3. 量子密钥原理的优势
量子密钥原理是一种高度安全的通信方式，有以下优势：
1. 窃密攻击检测：由于量子态在传输过程中被测量会破坏量子状态，一旦有人窃取了密码，就可以被发现。

2. 完全机密性：即便攻击者有无限的计算资源和时间，也无法破解。

3. 完全秘密转移性：不论攻击者使用何种方式去攻击您的传输过程，您的信息在传输过程中都是完全保密的。

4. 量子密钥原理的应用
目前，量子密钥分配在领域的应用主要包括军事、金融、科研等
重要领域。

其中最为重要的是用于政府、金融机构等特定场所的机密
数据传输，以及基于量子密钥分配的量子安全通信、量子加密等相关
技术。

5. 量子密钥原理的未来发展
随着量子计算的快速发展，量子密钥分配作为安全通信的重要技
术也将得到更加广泛的应用。

同时，体积小、重量轻、安全性更强、
可扩展性更好的量子通信设备也将逐步成为通信市场的未来发展方向，为后续的量子通信和量子网络的规模化应用奠定更加广阔的基础。

量子通信中的量子密钥分发与共享量子通信作为一种安全性较高的通信方式，引起了广泛的关注和研究。

在量子通信中，保证信息的安全性是至关重要的。

而量子密钥分发与共享正是保证信息传输过程中的安全性的关键技术之一。

一、量子密钥分发的原理与方法量子密钥分发是指在量子通信系统中通过量子纠缠等基于量子力学原理的方式，将密钥安全地分发给通信双方。

在这个过程中，通信双方可以通过比特值的基准选择和公开通信等步骤来实现量子密钥的建立。

量子密钥分发中最常用的协议是基于BB84协议的方法。

该协议通过使用两组正交基底，分别为0和1的基底以及+和×的基底，将携带密钥的量子比特按照不同的基底传输。

接收方通过对接收到的量子比特进行测量，并选择合适的基底进行解码，从而得到密钥。

二、量子密钥共享的原理与方法量子密钥共享是指通过量子纠缠技术，将密钥安全地分发给多个通信节点，实现密钥在多个节点之间的共享。

在量子密钥共享过程中，通信节点之间利用量子纠缠关系进行信息传递和比特运算，从而实现对密钥的共享和传输。

目前，最常用的量子密钥共享协议是基于E91协议的方法。

该协议通过量子纠缠态的产生和测量结果的比较来实现密钥的共享。

通信节点之间通过将自己的测量结果进行公开，可以验证纠缠态是否存在，从而达到密钥共享的目的。

三、量子密钥分发与共享的应用量子密钥分发与共享技术被广泛应用于保密通信和量子密码学等领域。

它可以提供更高级别的安全性保障，使得通信过程中的信息不易受到攻击和窃取。

一方面，量子密钥分发技术可以用于实现安全的密钥交换协议，确保通信双方共享的密钥不会被第三方窃取。

这为安全通信提供了坚实的基础，可以有效地保护重要信息的传输。

另一方面，量子密钥共享技术可以实现多节点之间的安全通信。

通过将密钥共享给多个节点，可以构建起一个安全可靠的通信网络，提高信息传输的可靠性和安全性。

除此之外，量子密钥分发与共享技术还应用于量子随机数生成、量子认证和量子签名等领域。

什么是量子力学中的量子密钥分发
量子密钥分发（Quantum Key Distribution，简称QKD）是利用量子力学特性来保证通信安全性的一种方法。

它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。

量子密钥分发的一个重要且独特的特性是两个通信用户能够检测到试图获得密钥知识的任何第三方的存在的能力。

这源于量子力学的一个基本方面：任何对量子系统的测量通常会扰乱系统。

试图窃听密钥的第三方必须以某种方式测量它，从而引入可检测的异常。

通过使用量子叠加或量子纠缠和传输信息量子态可以实现检测窃听的通信系统。

如果窃听级别低于某个阈值，则可以产生保证安全的密钥（即窃听者没有关于它的信息），否则就不可能有安全密钥，并且通信被中止。

使用量子密钥分发的加密安全性依赖于量子力学的基础，与传统的公钥密码学相反，后者依赖于某些数学函数的计算难度，并且不能提供任何关于逆转的实际复杂性的数学证明。

以上信息仅供参考，建议查阅专业书籍或者咨询专业人士了解更多信息。

图1为量子密钥分配的原理示意图，图1左图中的小黄球代表单个光子，黑色箭头代表光子的偏振方向，左边蓝色人是信息发送方，而绿色人是接收方。

收发双方都手持偏振滤色片，发送方有四种不同的滤色片，分别为上下、左右偏振（第一组）、上左下右、上右下左偏振（第3组）4种滤色片，发送方把不同的滤色片遮于光子源前，就可分别得到4种不同偏振的光子，分别用来代表“0”和“1”。

请注意，每个代码对应于两种不同的光子偏振状态，它们出自两组不同偏振滤色片（图1中的左下角，它和通常光通信的编码不尽相同）。

接收方就只有两种偏振滤色片，上下左右开缝的“+”字式和斜交开缝的“×”字式。

由于接收方无法预知到达的每个光子的偏振状态，他只能随机挑选两种偏振滤色片的一种。

接收方如果使用了“+”字滤色片，上下或左右偏振的光子可以保持原量子状态顺利通过（见图中上面的第一选择，接收方用了正确的滤色片），而上左下右、上右下左偏振的光子在通过时量子状态改变，变成上下或左右偏振且状态不确定（见图1中第四选择，用了错误的滤色片）。

接送方如果使用×字滤色片情况正好相反，见图1中第2选择（错误）和第3选择（正确）。

图1 量子密钥分配技术原理示意图1右图第1横排是发送方使用的不同偏振滤色片，从左至右将9个不同偏振状态的光子随时间先后逐个发送给下面绿色接收方，这些光子列于第2排。

接收方随机使用“+”字或“×”字偏振滤色片将送来的光子逐一过滤，见第3排，接收到的9个光子的状态显示在第4排。

这里是密钥（key）产生的关键步骤：接收方通过公开信道（电子邮件或电话）把自己使用的偏振滤色片的序列告知发送方，发送方把接收方滤色片的序列与自己使用的序列逐一对照，然后告知接收方哪几次用了正确的滤色片（图2，打勾✔的1，4，5，7，9）。

对应于这些用了正确滤色片后接收到的光子状态的代码是：00110，接发双方对此都心知肚明、毫无疑义，这组代码就是它们两人共享的密钥。

量子密钥分配量子密钥分配（QuantumKeyDistribution，简称QKD）是一种建立在量子力学原理之上的安全信道，实现双方间的安全通信。

QKD的实现主要依靠量子信息传输中的量子纠缠态来实现，其中量子纠缠态是一种“两个量子之间的连接”，它使得一方量子状态改变，它们另一方量子状态也会随之改变。

量子密钥分发是计算机网络安全的一种新方法，它可以帮助用户安全地在传输无缝中传输数据。

量子密钥分配的基本原理是量子纠缠态的利用：通过将两个或多个量子形成一个纠缠态，即驱动空间内量子交换耦合，可以同时在多个量子系统之间传输。

这构成了量子密钥分发的基础。

一方在量子密钥分配中张发一个称为量子秘钥的信息，另一方利用量子纠缠态将信息转发给第三方。

这是量子键分布（QKD）中最重要的步骤之一，它不仅有效地防止了信息的窃听，而且可以在两个参与者之间建立可信的安全网络。

QKD的优势在于它可以在没有任何信任的情况下安全地传输信息。

量子密钥分发可以确保，即使有人窃取了传输的信息，也不能改变原有的信息内容，也就是说，发送方和接收方仍然可以保持信息的完整性。

在此基础上，量子密钥分发具有以下优点：（1）抵抗劫持：量子密钥分发可以确保发送方和接收方之间传递的信息不受窃取，是符合安全传输需求的完美解决方案。

（2）高安全性：量子质量分布不仅具有高级加密，而且通过量子纠缠态，可以实现最高级别的安全保护，使得无法探测和破解。

（3）快速交互：量子密钥分发的传输速度比传统加密方式快得多，可以满足特别高要求的快速交互所需。

（4）公正性：量子密钥分发可以极大地提高用户之间的公正性，确保信息传输的可信赖性和完整性。

虽然量子密钥分发是一种新型的安全通信技术，但它仍有一些可以改进的地方。

由于量子质量的稳定性仍然较差，它的传输距离较短，而且需要专业的技术支持。

由于这些原因，量子密钥分发还需要技术的改进和完善，以便在实际的应用中发挥最大的作用。

通过研究和改进技术，量子密钥分发可以给人们带来安全可靠、高速交互的信息传输。

n C tinfo 技术SECURITY研究2020年第12__________________________________________________________________________________________________■doi：10.3969/j.issn.1671-1122.2020.12.006一种量子密钥池的双向使用方案---------------------------冯雁1,2,刘念1,谢四江1,2----------------------------(1.北京电子科技学院，北京100070;2.中国科学技术大学，合肥230026)摘要：量子保密通信系统中，通信双方可能同时从共享量子密钥池读取密钥，在密钥不允许重用的前提下，量子密钥池中密钥使用可能出现竞争现象。

针对此问题，文章提出一种量子密钥池双向使用方案，同时给出了具体的协议交互过程和实现机制。

该方案基于半双工通信思想，通过控制主动读取量子密钥池中密钥权限等方式，有效解决密钥池中密钥的竞争使用问题，通信双方能够从共享量子密钥池中正确读取加密密钥和解密密钥。

关键词：量子保密通信；量子密钥分发；量子密钥池；半双工；双向中图分类号:TP309文献标志码：A文章编号：1671-1122(2020)12-0040-07中文引用格式：冯雁，刘念，谢四江.一种量子密钥池的双向使用方案[J].信息网络安全,2020,20(12)：40-46.英文引用格式:FENG Yan,LIU Nian,XIE Syiang.A Bi-directional Use Scheme of Quantum Key Pool[J].Netinfo Security,2020,20(12):40-46.A Bi-directional Use Scheme of Quantum Key PoolFENG Yan1"2,LIU Nian1,XIE Sijiang1-2(1.Beijing Electronic Science and Technology Institute,Beijing100070,China;2.University of S cience andTechnology of C hina,Hefei230026,China)Abstract:Both sides of the communication may read the key from the shared quantum key pool at the same time in the quantum secure communication system.If the key is notallowed to be reused,there will be competition in the use of the key in the quantum key pool.To solve this problem,a bi-directional key use scheme of quantum key pool is proposed,andthe interaction and implementation mechanism of the specific protocol are given.The schemeis based on the idea of half duplex communication,which effectively solves the competitiveuse of key in the key pool by controlling the permission for obtaining key actively from thequantum key pool,and realizes that both sides of communication can read the encryption keyand decryption key correctly from the shared quantum key pool.Key words:quantum secure communication;quantum key distribution;quantum key pool;half duplex;bi-directional收稿日期：2020-10-16基金项目：国家重点研发计划[2018YFE0200600];安徽省量子通信与量子计算机重大项目引导性项目[AHY180500]作者简介：冯雁(1979—),女，江西，副教授，硕士，主要研究方向为网络安全、量子保密通信网络安全体系等；刘念(1981—),男,山东，讲师，博士，主要研究方向为大数据安全、量子保密通信网络安全体系等；谢四江(1971—),男，湖北，正高级工程师，硕士,主要研究方向为密码系统、量子保密通信网络安全体系等。

量子共享密钥密钥池量子共享密钥密钥池是一种基于量子力学原理的加密方式，其能够实现安全的通信和数据传输。

量子共享密钥密钥池的核心思想是利用量子比特的特性来生成和分发加密密钥，从而保护通信的机密性和安全性。

量子力学是描述微观世界的一种物理学理论，其中的基本单位是量子比特，也称为qubit。

与经典比特不同，量子比特不仅可以表示0和1两种状态，还可以处于这两种状态的叠加态。

这使得量子通信具有了独特的特性，例如量子叠加态、量子纠缠和量子不可克隆性。

在量子共享密钥密钥池中，首先需要一个可靠的量子信道来传输量子比特。

这个信道需要保持高度的稳定性，以避免信息的丢失和干扰。

通过量子信道，发送方可以将量子比特发送给接收方，接收方则可以通过测量量子比特来获取其中的信息。

在密钥池的生成过程中，通过特定的量子算法，发送方将随机生成的量子比特与事先约定的密钥进行操作，从而生成一个与原始数据无关的密钥。

这个生成的密钥只有发送方和接收方才知道，其他人无法获取其中的信息。

由于量子叠加态和量子纠缠的存在，即使有人试图窃取传输的量子比特，也无法获取其中的原始数据和密钥信息。

通过量子共享密钥密钥池，可以实现安全的通信和数据传输。

发送方和接收方可以使用这个共享的密钥来进行加密和解密操作，从而确保通信的机密性。

即使第三方获取了通信的内容，也无法破解加密密钥，使得信息的安全性得到了有效的保护。

此外，量子共享密钥密钥池还具有指导意义。

它为我们展示了量子力学在信息安全领域的应用潜力。

相对于传统的加密方式，量子共享密钥密钥池能够提供更高的安全性和防护能力。

它利用了量子力学的原理，充分发挥了量子比特的特性，为信息安全提供了全新的思路和方法。

总之，量子共享密钥密钥池是一种生动、全面、有指导意义的加密方式。

它利用量子力学原理生成和分发加密密钥，实现了安全的通信和数据传输。

通过了解和研究量子共享密钥密钥池，我们能够更好地理解量子力学在信息安全领域的应用，并为未来的量子通信和量子计算提供借鉴。