量子密碼術： 幫“鮑勃”和“愛麗絲”傳悄悄話

聶翠蓉

鮑勃與愛麗絲，他們是誰？兩人有什么關系？是不是遠隔異地的戀人，每天有說不完的悄悄話？

其實這兩個名字，只是在密碼學和電腦安全中的慣用角色，他們不一定是“人類”，有可能是一個電腦程序。

20世紀80年代，量子物理學家發現，利用量子力學的基本原理，可以保證信息從鮑勃傳給愛麗絲的安全性，這就是“量子密碼術”。近日，記者采訪了南京郵電大學盛宇波博士，請他介紹了鮑勃與愛麗絲如何利用這些量子技術進行安全對話。

量子密鑰分發：最接近實用化的量子技術

量子通信就是利用量子力學基本原理實現信息的傳輸，而量子保密通信是量子通信的最主要分支，是以保密通信為主要任務，包括量子密鑰分發、量子秘密共享和量子安全直接通信三個主要方向。而量子安全直接通信是唯一一個由我國科學家龍桂魯獨創的技術，盛宇波長期從事這方面的研究。前不久，清華大學的張巍與盛宇波等科學家合作，在兩公里的環形光纖中首次實現500米范圍內的量子安全直接通信，再次推進了該技術的實用化進程。

盛宇波介紹，量子密鑰分發模式在1984年創立，當時兩位科學家班尼特和布拉薩德提出了第一個量子密鑰分發協議（BB84協議），之后Bennett-92、Ekert-91、BBM92等協議相繼提出。目前已經在實驗中實現了400公里的量子密鑰分發，是最接近實用化的量子技術。我國的量子京滬干線、量子科學實驗衛星等的科學目標之一也是量子密鑰分發。

當鮑勃與愛麗絲相互發送信息時，量子密鑰分發技術通過分發量子密鑰能判斷是否被竊聽，如果沒有被竊聽，鮑勃會將信息發送給愛麗絲；如果被竊聽，“他”會放棄傳輸數據。

量子秘密共享：鮑勃與愛麗絲之間的第三者

量子秘密共享模式在1999年由三位科學家建立，他們提出了這種模式的第一個協議。該技術與量子密鑰分發有很大類似性，可以看成是多方參與的量子密鑰分發模式。

在量子秘密共享中，鮑勃在發送信息給愛麗絲的時候，為了給信息加密，“他”會在分發密鑰給愛麗絲的同時，也將密鑰分發給第三方，愛麗絲需要與第三方合作，才能破譯鮑勃的密鑰，獲得傳過來的信息內容。

因此，量子秘密共享模式傳輸的也是隨機密鑰，需要再使用經典通信才能完成信息傳送。而量子密鑰和量子秘密共享兩種技術存在一個問題，人們總是在信息泄露發生之后才能發現竊聽存在，而此時竊聽者已然獲得了信息。為解決這個問題，物理學家們使用一種叫作“一次一密”的方法來加密原始信息，但加密后的信息通過普通而非量子的通信信道來傳送并解密。

量子安全直接通信：在信息泄露前發現竊聽

如果物理學家們能夠在發送信息之前確保信息傳輸的安全，能否不使用“一次一密”的方法？2000年，清華大學龍桂魯首創了量子安全直接通信的模式，不需事先建立密鑰，可利用兩個糾纏粒子的量子原理直接傳輸秘密信息，既能發現竊聽，還能保證發現竊聽之前的信息不泄露。

盛宇波介紹了該技術的保密原理。信息發送者愛麗絲留有每對糾纏中的一個光子，把另外一個光子發送給信息接受者鮑勃。鮑勃把他收到的光子隨機分成兩組，測量其中的一組光子并把測量結果公開發給愛麗絲。愛麗絲根據測量結果核對傳輸后的粒子狀態有沒有被改變，如果改變了，那么說明被竊聽了。如果沒有被竊聽，那么愛麗絲和鮑勃就可以用剩下來的光子來直接傳輸安全信息。

盛宇波表示，通過理論分析，他們的系統可以實現幾十公里的量子安全直接通信。這種方式既可同時作為密鑰分發，還可用于構造量子對話、量子簽名等新協議，是多用途的量子通信基本協議。

（本文轉自《科技日報》）