量子密碼與量子通信

孔潔

摘 要：量子密碼不同于普通密碼，是量子力學與經典密碼學相互融合的產物。它的安全性由量子力學基本原理保證，與攻擊者的計算能力無關。它的興起對信息安全技術領域產生了非常重要的影響。本文介紹了量子密碼與普通密碼的區別，量子密鑰分配方案的基本原理，量子密碼協議以及量子通信的2種方法。

關鍵詞：量子密碼;量子密鑰分發;協議;量子通信

中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0024-02

密碼學廣泛應用于軍事、金融、信息保密等領域。到目前為止，我們所用的文本、聲音、圖像等都是轉換為0或1進行編碼存儲于計算機中。人們用計算機所處理的數據依然是基于比特的。因此我們將密碼系統的實質歸結為保護比特數據的安全。早期的密碼學主要基于數學的復雜性，破解一個密碼系統，相當于解決一個具有一定復雜的數學問題，這類利用數學復雜性而生成的密碼學稱為經典密碼學，與之相對應的就是量子密碼學。

量子密碼學依賴物理學原理，無條件地確保信息的安全。它服從“一次一密”，每次向對方傳送一個密鑰，這個密鑰要求是隨機的，如果被外界探測到了，本次密鑰就作廢。

當用于編碼的量子態被竊聽，接收方所收到的量子態和發送方的量子態有所不同，這樣就會導致其統計特性發生變化，從而被察覺。

1 量子密碼協議

1.1 BB84協議

BB84量子密碼協議是第一個量子密碼通信協議，也是唯一被商業化實現的量子密鑰分發協議。BB84協議的關鍵在于：雙方選取了2組非正交編碼基。竊聽方無法獲得一方傳遞給另一方的信息。接收方根據測量數據計算相應的誤碼率，如果誤碼率高于某個闕值，就終止本輪協議，重新開始分發新的隨機密鑰。如果能保證密鑰長度盡可能的長，這種傳遞信息的方式與竊聽者的破解能力沒有任何關系，是無條件的。

1.2 B92協議

貝內特在1992年提出了B92協議，也就是量子密碼分發協議。B92協議中使用2種量子狀態。

發送方發送狀態|↑>和|>，接收方接受狀態后選擇基“+”或“×”來測量。如果接收方測量得到的結果是|→>，就可以肯定發送方發送的狀態是|>。如果得到結果是|>，肯定接收到的狀態是|↑>。但如果接收方的測量結果是|↑>或|>，那么就不能肯定接收到的狀態是什么。然后，接收方告訴發送方，哪些狀態得到了確定的結果，哪些狀態不能肯定，但不告訴發送方它選擇了什么樣的基測量。然后用那些得到了確定結果的基來編碼，把“+”編為“0”，把“×”編為“1”，并用這串比特作為密鑰。

這個協議的缺點是：只有無損耗的信道才能保證這個協議的安全性，否則，Eve把那些無法得到確定結果的狀態截獲，然后重新制備，得到確定結果的狀態再發出去。

1.3 E91協議

E91協議最初是由歐洲的科研人員發表出來的，以EPR糾纏對為基礎，因此我們也把它稱為EPR協議，其安全性由Bell定理保證。E91協議的實現包括信息傳輸和信息安全檢測2次操作。在E91協議中對竊聽者是否存在的檢測是通過Bell不等式對信道的安全性進行檢測。如果通信雙方的探測結果沒有違背貝爾不等式就證明EVE存在。假如通信雙方的探測結果不滿足貝爾不等式，就說明信息傳輸信道中沒有EVE的存在。

E91協議的實現流程為：

由糾纏源產生一對糾纏的粒子，其自旋為1/2，并發送給通信雙方。

Alice從0、∏/4、∏/2的測量方向上隨機選擇測量基檢測粒子的自旋狀態。Bob從中隨機選擇測量基檢測粒子的自旋狀態。

經過多次測量后，Alice和Bob公布自己的測量基，但不公布自己的測量結果，并使用選取了不同測量基的結果用于檢測粒子是否是糾纏的。

當檢測到粒子對無關聯時，認為該糾纏是無效的，或者存在竊聽者，放棄這次通信。

若判定粒子對是相互糾纏的，并且沒有竊聽者存在，則使用選取了相同測量基的測量結果用于生成密鑰。

E91協議安全性能好，因為量子比特在傳輸中的量子態無法準確給定，必須經過信息接收者的測量才能確定其量子狀態，因此即使EVE截獲了通信雙方傳輸的糾纏態，也無法獲得準確的量子信息。

2 量子通信

量子通信是信息科學與量子物理相結合的產物，經典密碼學并不能保證通信的安全性，量子通信是根據量子的基本理論，所以具有很高的安全性。如果有竊聽存在，就會引起誤碼，從而被通信雙方發現。目前有可能實現的量子通信方式是量子密鑰分發，即：先通過量子密鑰分發完成絕對安全的密鑰分發，再以“一字一密”的方式進行保密通信。量子密鑰分發主要包括準備-再測量-基于糾纏源。

量子通信分為2種：量子密鑰分發和量子隱形傳態。量子密鑰分發的特點是利用量子的不可克隆性，對信息進行加密。量子隱形傳態則是利用量子的糾纏態來傳輸量子比特。

2.1 量子密鑰分發

所謂量子密鑰分發就是利用量子力學的特性保證通信的安全。通信的雙方產生一個隨機且安全的密鑰加密和解密信息。原理是：只要對量子系統測量，就會對系統產生干擾，傳統的密碼學沒有辦法察覺到竊聽者，也就無法保證密鑰的安全。

量子密鑰分發只產生和分發密鑰，不傳輸真正的信息。信息可用某些加密算法進行加密，加密后的信息能夠在標準信道中進行傳輸。量子密鑰分發最常見的相關算法是一次性密碼。如果使用保密而隨機的密鑰，這種算法是安全的。在實際運用中，量子密鑰分發常常用于對稱密鑰加密的加密方式。

量子通信中，消息編碼為量子狀態，也稱量子比特，而傳統通信中，消息編碼為比特。一般情況下，光子被用來制備量子狀態。

竊聽者策略：

將甲方發來的量子比特進行克隆，再發給乙方，但量子不可克隆性確保竊聽者無法克隆正確的量子比特序列，因而也無法獲得最終密鑰。

竊聽者隨機選擇檢偏器，測量每個量子比特所編碼的隨機數，然后將測量后的量子比特冒充甲方的量子比特序列發送給乙方。按照量子力學的假設，測量必然會干擾量子態，因此這個冒充的量子比特與原始的量子比特可能不一樣，這將導致甲乙雙方形成的隨機數序列出現誤差，他們經由隨機對比，只要發現誤碼率高，就知道竊聽者存在，這樣的密鑰不安全。只有當確認無竊聽者存在，密鑰才是安全的，接下來便可用此安全密鑰進行一次一密的保密通信。

存在的問題：

這種保密通信，密鑰由QKD生成，如果竊聽者不停地竊聽，甲乙雙方就無法獲得安全的密鑰，通信就無法進行，QKD也無能為力。它唯一的優勢就是斷定是否有竊聽者存在。

2.2 量子隱形傳態

量子隱形傳態就是由經典通道和EPR通道傳送量子態。傳輸的是量子態攜帶的量子信息。在量子糾纏的幫助下，待傳輸的量子態可從一個地方到達另外一個地方。

如果要實現量子隱形傳態，接收方和發送方必須共享一對的EPR。發送方把自己的EPR和要發送信息所在的粒子進行測量，接收方的EPR會縮為另一狀態，然后發送方將測量結果通過信道傳送給接收方。接收方收到后，根據這條信息對自己EPR做相應幺正變換就可以恢復原來的信息。接收方根據這些信息構造出原子態的全貌。

量子隱形傳態的原理是：將傳送的量子態與EPR對中一個粒子進行貝爾基測量，此時未知態的全部量子信息將會轉移到EPR對的第二個粒子上面。依據傳統通道傳送的貝爾基測量結果，對EPR的第二個粒子的量子態進行適當的幺正變換，就可以使這個粒子處于與待傳送的未知態完全相同的量子態，在EPR的第二個粒子上實現對未知態的重現。

量子隱形傳態是量子通信中最簡單的一種，量子通信可以做到泄密，保護用戶的通信安全。由于量子具有不可再分、不可復制的特性，在傳輸中如果受到干擾它就會改變狀態，從而接收方就會知道。除了在保護通信安全的前提下，量子通信還有反竊聽的功能。一旦有竊聽者存在，信息就會被偷聽動作改變，從而保證信息的絕密。

量子密碼通信還有很多需要深入研究的內容。目前比較成熟的是：利用量子器件產生隨機數當做密鑰，利用量子通信分配密鑰，最后按“一次一密”方式來進行加密。量子的作用主要是產生密鑰和分配密鑰，而加密還是采用的傳統密碼。

量子通信作為一種新型通信手段，因其速度快、保密性強、存儲能力大、信息效率高、信噪比低等獨特的優點，得到了國內外廣泛關注，作為一門新興學科，，量子通信打破了傳統的通信方式，該技術在隱身傳輸和加密安全領域取得了令人矚目的成績，是今后世界通信領域的熱點，必將有著廣闊的前景。

參考文獻

[1] 楊宇光.量子密碼協議的設計和分析[M].科學出版社，2013.

[2] [美]斯皮爾曼.經典密碼學現代密碼學[M].清華大學出版社，2005.

[3] 李瓊.應用量子密碼學[M].科學出版社，2019.

[4] Atul.密碼學與網絡安全[M].清華大學出版社，2016.

[5] [美]菲利普.密碼學基礎教程[M].機械工業出版社，2018.