基本介紹
- 中文名：量子密碼
- 外文名：Quantum Cryptography
- 學科支持：物理學
- 性質：密碼系統
- 作用：光纖電纜的信息載體
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基本概念
量子密碼術與傳統的密碼系統不同，它依賴於物理學作為安全模式的關鍵方面而不是數學。實質上，量子密碼術是基於單個光子的套用和它們固有的量子屬性開發的不可破解的密碼系統，因為在不干擾系統的情況下無法測定該系統的量子狀態。理論上其他微粒也可以用，只是光子具有所有需要的品質，它們的行為相對較好理解，同時又是最有前途的高頻寬通訊介質光纖電纜的信息載體。
工作原理
理論模式
假設兩個人想安全地交換信息，命名為Alice和Bob。Alice通過傳送給Bob一個鍵來初始化信息，這個鍵可能就是加密數據信息的模式。是一個隨意的位序列，用某種類型模式傳送，可以認為兩個不同的初始值表示一個特定的二進制位（0或1）。
我們暫且認為這個鍵值是在一個方向上傳輸的光子流，每一個光子微粒表示一個單個的數據位（0或1）。除了直線運行外，所有光子也以某種方式進行振動。這些振動沿任意軸在360度的空間進行著，為簡單起見（至少在量子密碼術中可簡化問題），我們把這些振動分為4組特定的狀態，即上、下，左、右，左上、右下和右上、左下，振動角度就沿光子的兩極。過濾器，它允許處於某種振動狀態的原子毫無改變的通過，令其他的原子改變震動狀態後通過（它也能徹底阻塞光子通過，但我們在這裡將忽略這一屬性）。Alice有一個偏光器允許處於這四種狀態的光子通過，實際上，她可以選擇沿直線（上、下，左、右）或對角線（左上、右下，右上、左下）進行過濾。
Alice在直線和對角線之間轉換她的振動模式來過濾隨意傳輸的單個光子。這樣時，就用兩種振動模式中的一種表示一個單獨的位，1或0。
我國第一個量子密碼網路系統理論分析
理論假設
我們假設有一個監聽者，Eve，嘗試著竊聽信息，他有一個與Bob相同的偏光器，需要選擇對光子進行直線或對角線的過濾。然而，他面臨著與Bob同樣的問題，有一半的可能性他會選擇錯誤的偏光器。Bob的優勢在於他可以向Alice確認所用偏光器的類型。而Eve沒有辦法，有一半的可能性她選擇了錯誤的檢測器，錯誤地解釋了光子信息來形成最後的鍵，致使其無用。
讓我們假設Alice採用右上/左下的方式傳輸編號為349的光子給Bob，但這時,Eve用了直線偏光器，僅能準確測定上下或左右型的光子。如果Bob用了線型偏光器，那么無所謂，因為他會從最後的鍵值中拋棄這個光子。但如果Bob用了對角型偏光器，問題就產生了，他可能進行正確的測量，根據Heisenberg不確定性理論，也可能錯誤的測量。Eve用錯誤的偏光器改變了光子的狀態，即使Bob用正確的偏光器也可能出錯。
一旦發現了Eve的惡劣行為，他們一定採取上面的措施，獲得一個由0和1組成的唯一的鍵序列，除非已經被竊取了，才會產生矛盾。這時他們會進一步採取行動來檢查鍵值的有效性。如果在不安全的信道上比較二進制數字的最後鍵值是很愚蠢的做法，也是沒必要的。
我們假設最後的鍵值包含4000位二進制數字，Alice和Bo.b需要做的就是從這些數字當中隨機的選出一個子集，200位吧，根據兩種狀態（數字序列號2，34，65，911，等）和數字狀態(0或1)，進行比較，如果全部匹配，就可以認為Eve沒有監聽。如果她在監聽，那么不被發現幾率是萬億分之一，也就是不可能不被發現。Alice和Bob發現有人監聽後將不再用這個鍵值，他們將在Eve不可到達的安全信道上重新開始鍵值地交換，當然上述的比較活動可以在不安全的信道上進行。如果Alice和Bob推斷出他們的鍵值是安全的，因為他們用200位進行了測試，這200位將被從最後的鍵值中拋棄，4000位變為了3800位。
實踐意義
實踐中，量子密碼術在IBM的實驗室中得到了證明，但僅適合套用於相對較短的距離。在較長的距離上，具有極純光特性的光纖電纜成功的傳輸光子距離達60公里。只是與Heisenberg不確定性原理和光纖中的微雜質緊密相連的BERs(出錯率)使系統不能穩定工作。雖然有研究已經能成功地通過空氣進行傳輸，但在理想的天氣條件下傳輸距離仍然很短。量子密碼術的套用需要進一步開發新技術來提高傳輸距離。
套用實例
2、在國內，Asky quantum Tech CO.,LTD(問天量子)建設的蕪湖量子政務網，讓我國在該領域有了長足發展。
未來發展
要使這項技術可以操作，大體上需要經過這樣的程式：在地面發射量子信息——通過大氣層傳送量子信號——衛星接受信號並轉發到散步在世界各地的接受目標。這項技術面對的挑戰之一，就是大氣層站的空氣分子會把量子一個個彈射到四面八方，很難讓它們被指定的衛星吸收。
另外，這項技術還要面對“低溫狀態下加密且無法保證加密速度”的挑戰。保密與竊密就像矛與盾一樣相影相隨，它們之間的鬥爭已經持續了幾千年，量子密碼的出現，在理論上終結了這場爭鬥，希望它是真正的終結者。
延伸閱讀
量子密碼學
我們透過光纖來快速傳送穩定且大量的數據。但其實我們還可以有另一種選擇，就是直接以光束傳遞數據，而不透過光纖。然而資料的保密是相當重要的，如何能安全地傳送資料，已經成為一種學問，稱為「量子密碼學 (Quantum Cryptography)」。
量子密碼學的理論基礎是量子力學，不同於以往理論基礎是數學的密碼學。如果用量子密碼學傳遞數據，則此數據將不會被任意擷取或被插入另一段具有惡意的數據，數據流將可以安全地被編碼及解碼。而編碼及解碼的工具就是隨機的序列(bit-strings)，也可以稱他為金鑰(Key)。當前，量子密碼研究的核心內容，就是如何利用量子技術在量子信道上安全可靠地分配金鑰。
與傳統密碼學不同，量子密碼學利用物理學原理保護信息。通常把「以量子為信息載體，經由量子信道傳送，在合法用戶之間建立共享的密鑰的方法」，稱為量子金鑰分配(QKD)，其安全性由「海森堡測不準原理」及「單量子不可複製定理」保證。
海森堡測不準原理
是量子力學的基本原理，說明了觀察者無法同時準確地測量待測物的「位置」與「動量」。「單量子不可複製定理」是海森堡測不準原理的推論，它指在不知道量子狀態的情況下複製單個量子是不可能的，因為要複製單個量子就只能先作測量，而測量必然改變數子的狀態。
量子金鑰
若以量子密碼學製作金鑰，則此金鑰具有不可複製性，因此是絕對安全的。如果不幸被駭客擷取，則因為測量過程中會改變數子狀態，駭客盜得的會是毫無意義的資料。
分別來自德國與英國的研究小組在最新一期的Nature期刊上表示，科學家藉由金鑰(Key)，在相距23.4公里的兩地，以波長為850nm的雷射，在空氣中互相傳送加密資料。由於兩地並沒有光纖，資料傳遞是在一般的空氣中進行，因此為了降低環境的干擾，科學家選擇在空氣稀薄處(海拔2244~2950m)以及夜間(避免光害)，進行實驗。這樣的距離(23.4公里)已經打破由美國科學家所建立的世界紀錄，10公里。
