量子十问之六:量子密码就是量子通信吗?
如今所说的量子密码特指利用量子纠缠态的一对相互纠缠的粒子之间“神秘”的相互关联来产生密钥,如果有第三方介入,这种关联就会被破坏,就能被发现,然后让此次产生的密钥作废,再重新来过。仅当只有当事双方参与时,密钥才能顺利产生,亦即此密钥的产生绝不会被第三方知晓,以达到保密的目的。有第三方介入,密钥就不能产生——这是量子密码的核心。
具体说,一种量子密码的方案是这样的:将要传送的信息编排成一个大数,再另找一个大数作为密钥,将两大数的乘积用普通信道传递给对方,接下来的关键就是传递密钥。有了密钥,除一下,就恢复原来信息;若想用普通计算机试图找出密钥,是可以的,但需要很长时间(若量子计算机出现,所需时间将大为缩短,这种量子密码也将失去意义)。
传递密钥是这样的(其实也非传递,而是生成密钥):制备一批纠缠光子对,一个光子发送给发信方,另一个光子发送给收信方。测量光子极化方向的偏振片的方位约定好两种,比如一种水平方向,另一种是与水平夹45度角的方向。两人每次测量一个光子时选择的方向都是随机的,但要记录下每次选择的方向,当然也要记录下每次测量的结果,有光子通过偏振片就记1,无光子通过则记0。通过普通信道两人交换测量方向的记录,那些测量方向不一致的测量结果的记录都舍去不要(因为两人的这些测量结果的相关性不会是绝对一致的),剩下的那些测量方向相同所对应的测量结果,两人应一致(除非有第三方截获了部分光子),这一致的记录就可作为两人共同的密钥。
检测是否有第三方截获的方法至少有这样两种:1)将上段得到的密钥的大数各个数位上的数字之和通过普通信道对比一下;2)任取大数中的某几段数字对比一下。若都相同,说明无人截获,两人得到的密钥是相同的。
量子通信包括“依据”量子纠缠的量子隐形传态、密集编码和量子密码分发。
密码学是内容极其丰富的学科,目前量子信息技术仅仅在“密钥分配”这个具体分支上可望发挥独特的作用。保密通信是密码学的重要内容,其基本原理是采用密钥 (0,1的随机数列)通过加密算法将甲方要发送的信息(明文)变换成密文,在公开信道上发送到合法用户乙方处,乙方采用密钥从密文中提取所要的明文。
如果甲乙双方采用相同的密钥(即)则称为对称密码或私密密码。如果,则称为非对称密码或公开密码,其中是公开的密钥,只为乙方私人拥有。
量子密码(图片来源于网络)
如果任何窃听者在不知晓密钥的情况下,可以从秘文提取出明文,则这种密码体系是不安全的。事实上,每个国家,无时无刻都在收集其他国家所发出的秘文,许许多多极其聪明的破译专家日以继夜地企图从各种秘文中提取有用的机密信息,这种精彩的情报战早已成为大众百姓津津乐道的公开秘密。人们要问,有没有一种令所有专家都无法破解的密码?确实有!早在上世纪四十年代,著名的信息论鼻祖香农采用信息论严格证明,如果密钥长度与明文长度一样长,而且用过后不再重复使用,则这种密文是绝对无法破译的,俗称为“一次一密”。太妙了吧!
那么为何这种“一次一密”的密码迄今未被广泛推广使用呢?主要原因是,“一次一密”要大量消耗“密钥”,需要甲乙双方不断地更新密码本,而“密码本”的传送(称为“密钥分配”)本质上是不安全的。采用不安全的密钥来实施“一次一密”加密仍然是不安全的。那么是否有什么办法可以确保密钥分配是安全的?有,这就是“量子密钥分配”(缩写为“QKD”)!
量子密钥分配(图片来源于网络)
“量子密钥分配”应用到量子力学的基本特性(如量子不可克隆性,量子不确定性等)来确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现,这是QKD比传统密钥分配所具有的独特优势,后者原则上难于判断手头的密码本是否已被窃听者复制过。QKD的另一个优点是无需保存“密码本”,只是在甲乙双方需要实施保密通信时,
实时地进行量子密钥分配,然后使用这个被确认是安全的密钥实现“一次一密”的经典保密通信,这样可避开保存密码本的安全隐患。
(图片来源于网络)
量子密钥分配的过程大致如下:单个光子通常作为偏振或相位自由度的量子比特,可以把欲传递的0,1随机数编码到这个量子叠加态上,比如,事先约定,光子的圆偏振代表1,线偏振代表0。光源发出一个光子,甲方随机地将每个光子分别制备成圆偏振态或线偏振态,然后发给合法用户乙方,乙方接收到光子,为确认它的偏振态(即0或1),便随机地采用圆偏光或线偏光的检偏器测量。如果检偏器的类型恰好与被测的光子偏振态一致,则测出的随机数与甲所编码的随机数必然相同,否则,乙所测得的随机数就可能与甲方发射的不同。乙方把甲方发射来的光子逐一测量,记录下测量的结果。然后乙方经由公开信道告诉甲方他所采用的检偏器类型。这时甲方便能知道乙方检测时哪些光子被正确地检测,哪些未被正确地检测,可能出错,于是他告诉乙方仅留下正确检测的结果作为密钥,这样双方就拥有完全一致的0,1随机数序列。
如果有窃听者在此过程中企图骗取这个密钥,他有两种策略:一是将甲发来的量子比特进行克隆,然后再发给乙方。但量子不可克隆性确保窃听者无法克隆出正确的量子比特序列,因而也无法获得最终的密钥;另一种是窃听者随机地选择检偏器,测量每个量子比特所编码的随机数,然后将测量后的量子比特冒充甲方的量子比特发送给乙方。按照量子力学的假定,测量必然会干扰量子态,因此这个“冒充”的量子比特与原始的量子比特可能不一样,这将导致甲乙双方最终形成的随机数序列出现误差,他们经由随机比对,只要发现误码率异常地高,便知有窃听者存在,这样的密钥不安全,弃之不用。只有当他们确认无窃听者存在,其密钥才是安全的。接下来便可用此安全密钥进行“一次一密”的经典保密通信。
上述这种保密通信,实质上是“一次一密”的经典通信,只是密钥是由QKD生成的,通常也称为量子保密通信。
那么有两个问题出现:
一是,如果窃听者不停地窃听,甲乙双方就无法获得安全的密钥,于是保密通信便无法进行。确实如此,QKD对此无能为力!它唯一的优势功能就是断定是否有窃听者存在,所分配的密钥是否安全而已。这点在传统密钥分配原则上做不到。QKD只能用来确保传递信息的安全性,无法抗击“破坏信息传送”的行为。在这种场合只有借助于其他办法进行保密通信,比如,采用网络QKD,若某一路中段,寻找不被窃听的传输路径实现安全的密钥分配。如果QKD网络都处于被窃听的状态,那只好采用传统的保密通信办法了。
二是采用量子比特所生成的安全密钥比起用传统方法所得到的安全密钥(假定存在这种办法)有优越性吗?回答是否定的。只要密钥是安全的,不管是用何种办法生成的,两者性能完全一样。特别是,如果达不到“一次一密”的加密程度,即使QKD的密钥是绝对安全的。这种密码体系同样可能被聪明的破译者所攻破。
现在我们可以回答标题所问的第一个问题:量子密码是量子通信吗?答案是否定的!所谓“通信”简单地说就是传递信息(即“明文”)。量子密码只是传送经典随机数而已,不包含有任何信息内容,因此,与“通信”无关。量子保密通信实际上包括由QKD生成的安全密码和“一次一密”经典通信两个部分,本质上仍然是经典通信。现在媒体、学术界所说的“量子通信”就是量子密码或者量子保密通信,是某些人概念不清的误导,再由媒体炒作放大而形成的。真正的“量子通信”有其确切的内涵,即将信息编码在量子比特上,在量子通道上将量子比特从甲方传给乙方,直接实现信息的传递。这种真正的“量子通信”目前仍处于基础研究阶段,离实际应用还相当遥远。
量子密码是绝对安全的吗?(图片来源于网络)
下面我们来回答第二部分问题,即量子密码是绝对安全的吗?或者问,量子保密通信果真能做到不可窃听、不可破译的绝对安全吗?保密通信的安全性同时受到两个因素制约:密钥的安全性和“一次一密”的真实性。量子密码在理想状态下可以确保密钥的安全性,但实际上,量子密码系统绝对达不到理想状态,例如单粒子探测效率不是百分百的,它会产生传输损耗,各种器件不完善等等问题,这些非理想漏洞就可能被窃听者用来窃取密钥,但却不会被合法用户发现。就算人们能设计出与设备完全无关的量子密码协议,但因随机数的真伪、合法用户的识别等问题仍然难以做到密钥的绝对安全。只能是“相对安全”。另一方面,量子密码体系必须确保安全密钥的生成率足够高,以达到视频信息“一次一密”加密的需求,否则,即使密钥是安全的,保密通信仍然是不安全的。
量子密码的研究已有30多年历程,目前达到的实际水平是:在百公里范围的城域网,量子密码体系可以做到密钥分配在现有技术保证的各种攻击下是安全的,安全密钥生成率在25公里可确保高清视频“一次一密”,在100公里内能确保音频、文字、图片等的“一次一密”。因此可以制定“量子密码标准”,推广应用。随着攻击技术水平的提高,现有相对安全的量子密码可能会被攻击,到那时将会随之更新“量子密码标准”。因此,结论是:实际上,量子密码是相对安全的!
至于,超过城域而筑建的任何城际量子密码网络,目前仍无法确保其安全性。现在通常使用的是“可信中继”,其安全性依赖于人的因素,所以安全程度不会超越现有的传统加密。远程量子密码只有采用“量子中继”才能确保其安全性,而“量子中继”的研制受到可实用的量子存储器和确定性纠缠光子源的限制,目前仍然处于基础研究阶段。
说得更远些,能否通过卫星等实现“天地一体化”的量子保密通信网络呢?理论上可行,但实际上难以做到。而且,是否非这样做不可也值得探讨。暂不说覆盖地面的网络有多难,就说“地空之间”的量子密码,必须确保在各种恶劣条件下全天候实现安全的密钥分配,而且它的密钥分配要达到“一次一密”的需求,就目前人类所达到的技术而言,这些条件都是可望不可及的。
通过卫星实现“天地一体化”的量子保密通信网络?(图片来源于网络)
上面所述的有关量子密码是在私密密码体系中,至于另种公钥密码体系在量子信息技术时代处境如何呢?现有公钥体系的安全性是基于难求解的数学难题,如大数因子分解等。业已证明,量子计算机的并行运算能力可以攻破RSA,DSA和ECDSA密码。因此,现有的公钥体系将面临巨大的挑战。但是量子计算机并不能解决电子计算机难于求解的所有数学问题,这也意味着,量子计算机并不能攻破所有密码体系,特别是10年前密码学界就开始着手研究“抗量子计算攻击的新型密码”,而且不断取得进展。一旦这种新型的安全密码体系的研究得以成功,量子时代的信息安全将得到保证,而且这种抗量子计算密码显然比起目前研究的量子密码无论从造价上还是使用上都具有更大优势,相信会获得更广泛应用。
出品:科普中国
制作:中国科学技术大学 郭光灿 中国科普博览
监制:中国科学院计算机网络信息中心
“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。
量子十问之六:量子密码就是量子通信吗?
量子密钥分配的过程大致如下:单个光子通常作为偏振或相位自由度的量子比特,可以把欲传递的0,1随机数编码到这个量子叠加态上,比如,事先约定,光子的圆偏振代表1,线偏振代表0。光源发出一个光子,甲方随机地将每个光子分别制备成圆偏振态或线偏振态,然后发给合法用户乙方,乙方接收到光子,为确认它的偏振态(即0或1),便...
量子密话卡与普通电信卡的区别
1、安全性:量子密话卡使用量子技术进行加密,具有更高的安全性。而普通电信卡通常使用传统的加密技术,安全性相对较低,容易被黑客攻击。2、加密性:量子密话卡不仅对通话内容进行加密保护,还对数据通信和存储等进行加密处理,确保用户的隐私和财产安全。而而普通电信卡在加密性方面可能没有这样的全面保...
量子密话业务有什么用
这种服务有用是一种利用量子信息技术来保护通话安全的服务。量子密话业务利用量子纠缠的特性来传递密钥,量子纠缠是量子力学中的一种独特现象,使得两个或多个量子系统之间存在一种强烈的相关性,无论之间的距离有多远。特性使得量子密话业务能够确保密钥在传输过程中的安全性和可靠性,防止密钥被窃取或篡改...
什么是量子技术,它有哪些主要应用领域呢?
1.量子计算:量子计算利用量子叠加态和量子纠缠的特性,可以实现比传统计算机更快速和更高效的计算,对于解决复杂问题具有巨大潜力。2.量子通信:量子通信利用量子隐形传态的原理,可以实现绝对安全的通信,对于保护敏感信息和防止窃听具有重要意义。3.量子传感:量子传感利用量子效应的高精度和高灵敏性,可以实...
量子十问之九:量子也有存储U盘?
量子存储器由于量子相干性的特点,它的一个存储单元可以一次性存储N个量子比特,也就是N个模式。近期研究表明固态量子存储器的存储容量可达100个量子比特。这个容量已经远大于地球上所有经典存储器之和。量子存储器(图片来源于网络)综合来看,由于量子信息不可复制且不可放大,量子存储器在量子信息中的地位...
华为Mate60 Pro量子密话定制版:是早买还是值得等待的升级?
华为Mate60 Pro量子密话定制终端不仅在硬件上筑起安全壁垒,还在软件方面提供了阅后即销毁的隐私保护功能,让用户的数据存储更为有序。这意味着,对于选择这款定制终端,无论是早买还是晚买,关键在于它是否满足了个人对于通讯安全的需求,而非时间早晚的问题。总的来说,华为Mate60 Pro量子密话定制终端...
量子纠缠原理及其应用
纯态如(|R,L> +|L,R>)\/2^0.5,其纠缠状态通过子系统的约化密度算符清晰呈现。冯纽曼熵和伦伊熵是衡量量子纠缠的重要工具,它们揭示了系统状态的无序程度。纠缠的测量并非易事,即使是小规模情况,也需要复杂的判据如佩雷斯-霍罗德基定理来确定。纠肆衡缠的现实应用与理论挑战 量子纠缠在量子信息学...
佛陀在菩提树下究竟证悟了什么?为何发生六种震动
佛胤经上说当时‘他化天’上的魔宫发生震动胤摇晃,地球也产生震动胤摇晃的异象,一切都因这既微观又庞大的量子效应而感受到的同一现象。以量子力学原理来简单解析佛胤陀在菩提树下证道当时,山河大地发生六种震动神密现象,是想让大家从微观的物理层,进入玄妙难思的心灵层,并以科学的角度来看待心灵能场在修行中所...
量子纠缠究竟是什么原理
量子纠缠是指量子态的一种性质。它是量子力学叠加原理的后果。量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象。即使相距遥远距离,一个粒子的行为将会影响另一个的状态 。当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化 。在量子力学里,当几个粒子在...
13 量子魔术的秘密 之四“测不准原理”的原理
单位像素测不准常数hm≤Δb·Δv·ɑm,hm的物理意义是像素“有”状态的最小质量子数值。根据公式hm≤Δb^2·vf·ɑm,可得ɑm=Δb^2·ex,单位为m^2·kg\/s。电影单位像素的能量子ɑe=ɑm·c^2,质量子的质量单位向能量单位推导:kg·m^2\/s=kg·m\/s^2·m·s=N·m·s=J·s,...
弘娅达爽: 所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域.量子通信具有高效率和绝对安全等特点,是目前国际量子物理和信息科学的研究热点....
舞阳县19620506667: 什么是量子通信? - ?
弘娅达爽:[答案] 所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域.量子通信具有高效率和绝对安全等特点,是目前国际量子物理和信息科学的研究热点.追溯量...
舞阳县19620506667: 何为量子通讯 - ?
弘娅达爽: 量子通讯(Quantum communication)是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式.量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域.量子通讯主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展.高效安全的信息传输日益受到人们的关注.基于量子力学的基本原理,量子通讯具有高效率和绝对安全等特点,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点.
舞阳县19620506667: 什么是量子通讯? - ?
弘娅达爽: 上世纪下半叶以来,科学家在“海森堡测不准定理”和“单量子不可复制定理”上,逐渐建立了量子密码术的概念.“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理,指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的,只能精确测定两者...
舞阳县19620506667: 什么叫量子密码? - ?
弘娅达爽: 不好意思 复制给你 量子密码学量子密码学(Quantum Cryptography)经典的密码学是一门古老的学科,它的起源可以追溯到几千年前的古埃及、古罗马时代. 早在四千年前,古埃及一些贵族墓碑上的铭文就已经具备了密码的两个基本要素:...
舞阳县19620506667: 好吧、我成大忙人了、帮同桌问个问题、请问下什么是量子通信??有谁知道? - ?
弘娅达爽: 量子通信(Quantum Teleportation)是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式.量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域.量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,近来这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展.高效安全的信息传输日益受到人们的关注.基于量子力学的基本原理,量子通信具有高效率和绝对安全等特点,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点.
舞阳县19620506667: 量子通信是个什么通信?量子通信概念股有哪些??
弘娅达爽: 量子通信概念股都有哪些?量子通信龙头股是哪个?量子通信概念股重点解析一览: 1、零七股份(000007):目前世界上唯一销售量子计算机硬件的厂商——D-Wave的...
舞阳县19620506667: 量子通信是如何实现通信加密的? - ?
弘娅达爽: 据报道,近年来,随着量子的各种奇妙特性被科学家不断认识,实用的新技术也被逐渐开发出来,量子通信就是其中之一,量子密钥分发通过生成量子密码来给传统的通信加密.报道称,专家表示,信息发送者甲想和信息接收者乙共享量子密码...
舞阳县19620506667: 量子通信与激光通信有什么区别 - ?
弘娅达爽: 一.定义的区别: 量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式. 激光通信是一种方向性极好的单色相干光,利用激光来有效地传送信息.二.两者特点的区别: 量子通信特点:具有高效率和绝对安全等特点,是此刻国际...
舞阳县19620506667: 量子隐形传态与量子密码有什么关系? - ?
弘娅达爽: 量子隐形传态与量子密码关系:量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方是近二十年发展起来的新兴交叉科学,它具有高效率和绝对安全等特点.量子通信按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类:A 经典主要用于量子密钥的传输;B 量子则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发.