關于網絡安全技術中的量子密碼通信分析

孫 剛

（海軍參謀部，北京 100841）

在現有的密碼體系中，維那姆提出了一種一次性密碼具備無條件的安全性的密碼體系。他提出的要求是秘鑰是隨機的，而且秘鑰的長度至少要和被加密的數據所具備的長度是相同的，但是因為他的某一些缺陷在現實的應用中無法得到真正的實現。但是，量子平行計算概念被提出以后，計算所需要的時間被極大的減少了，從另一個角度說，量子計算機如果被發明出來，傳統的密碼學可能受到量子力學帶來的沉重打擊，相反，我們也可以利用量子力學創建一套更加安全的密碼體系。

1 研究的歷史和現狀

美國的科學家維斯納是最早想到把量子力學應用于密碼學的，他在1970年就提過使用單量子態來制造出一種不能夠被偽造的“電子鈔票”。不過這樣的設想如果想要實現有一定的難度，因為這首先需要長時間的保存單量子態，所以這在當時沒有受到人們的重視，所以直到1983年這個觀點被發表出來。而貝內特與布拉薩德兩個人是很早認識到維斯納提出的建議的重要人物。他們通過研究發現，單量子態雖然是不容易被保存的，但是是能夠被用于信息的傳輸的。所以在1984年他們共同提出了首個量子秘鑰的分配方法，這個方法被稱為BB84方案，因此量子密碼迎來了廣泛研究的新的時代。然后，在5年后，他們才在實驗室里完成了首次的量子傳輸實驗，他們成功地把一些光子在距離32厘米距離的兩臺計算機之間進行傳輸，這是早的量子秘鑰傳輸實驗。1992年，貝內特通過反復的研究提出了更簡單的B92方案。從這以后，各個國家的科研人員快速地投入到相關的量子秘鑰研究中來了，這使得量子密碼技術的實驗得到了快速的發展。

量子密碼的研究非常順利，雖然該領域還有很多的問題需要其解決，但是量子秘鑰的分發已經逐漸趨于現實。因為通信內容保密的重要性，量子密碼技術最早應用在軍事和政府文件的保密工作上，并且其商業應用正在起步中。自2003年以來，瑞士id Quantique公司和美國MagiQ公司都發布了能夠傳輸量子秘鑰的產品。2004年6月3日，世界上第一個量子密碼通信網絡在美國投入運行。這個通信系統能夠連接6個網絡的節點。在2004年的秋天，日內瓦的網絡供應商展示了一個網絡，該網絡可以把多個服務器的一些數據備份到10公里以外站臺，這個網絡是由量子進行加密的。中國也在最近幾年展開了量子通信的保密研究。

在光纖傳輸的過程中，光子非常容易被消耗，所以在當前量子密碼傳輸距離只能限制在很短的距離內。所以這個阻礙一旦被突破，量子密碼就能夠迎來快速的發展。2007年4月3日，中國科學家在北京測試成功首個國際量子密碼通信網絡，這也是到目前為止，全球中唯一無中轉且任意互通的量子通信網絡，這標志著量子的通信技術向網絡化發展邁出的關鍵一步。

量子密碼技術在近年以來成為國際學術界里面的一個熱門的前沿的研究，這種研究針對未來具備超級計算能力的量子超級計算機，而現行的基于解自然對數和因子分解的一種加密的系統可能變得不夠安全，但是量子密碼術卻能擁有夠經典的密碼學而不能達到的兩個目的：一個是合法通信雙方能夠覺察到潛在的竊聽者然后采用相關的措施；二是不管是想要破壞信息的破解者擁有多么強大的能力，都可以讓竊聽者沒有辦法破解量子密碼。這可以說，量子密碼技術是保障將來網絡通信安全一項重要的技術。

2 量子密碼的通信工作原理分析

量子通信技術是通信領域的一個重要的分支，他把量子態用作信息單元從而實現信息的有效傳遞，這是一種依靠基本的量子力學的通信技術，他是一種理論上的能夠證明是非常安全的通信保密技術。這種通信技術能夠在常規光纖通信線路上使用，這種應用是量子力學保密技術從理論進入到應用科學的一個明顯的標志。依據傳送類型的不同可以分成兩類：傳送經典信息和傳送量子信息，經典信息包括量子身份證、量子密碼和量子比特承諾，量子信息包括量子的隱形傳態和量子通信網路。量子密碼學科是量子力學結合量子密碼學的產物，所以這種信息的加密方法是使用量子狀態進行的，所以量子的一些比較特殊的性質是能夠保證量子密碼技術安全的基礎條件。

一個量子物質傳遞的過程，他和光在光纖里面傳送基本是一樣的，此時如果一個偷聽的人想要在一個地方進行偷聽的行為，亦或者是想要將偷聽的信息復制下來，這個行為就好像是測量行為，所以這種測量的行為給量子體系造成的結果是對整個系統產生了破壞，因此結果就是一些被測量的信息消失不見，因此，在理論上來講，這是一種最安全的密碼。

3 量子通信原理

一個量子的系統包含許多例子，這些粒子是按照量子力學運動規律進行運動的，量子信息的處理研究方法把通過量子態作為信息承載體的技術理論和信息理論的。量子系統和經典系統的最大分別是多個不同的狀態的疊加。把量子態作為表示信息的載體是現代量子信息的主要起點，相關的一些信息有關的所有問題一定要采用量子力學的理論來處理，這些信息的傳輸需要遵循薛定諤的方程規則，信息傳送方式為量子態在量子的通道中傳送，信息的處理是量子態中的幺正變化，信息的獲取其實是對量子態所實行的量子測量，這實際上是量子疊加原理。

量子通信除了能夠將經典信息里面的一些概念推廣以外，還將特有的量子糾纏理論放入從而創造了量子的隱形傳態，這是經典的通信中一個不可思議的奇跡。1993年，Bennet等來自4個國家6位科學家把原來未知的量子態信息進行分類：量子信息、經典信息，兩個部分由量子信道傳輸給接收者、經典信道傳輸給接收者，而經典的信息則是由發送者將原物的信息進行測量而獲取的，而量子信息則是由發送者實際測量信息沒有提取的其他一部分信息。接收者可以在對信息獲取后恢復原來的信息。

現行的經典密碼的通信是基于經典的信道安全與數學上的一些NP問題，他的安全性在一定意義上是相對的。特別是量子計算機的快速興起，這對經典的密碼通訊造成了很大的沖擊。在1994年，Shor提出了可以在量子計算機里能夠實現的算法，把大素數由NP問題想P問題進行轉化的因式分解。所以，人們迫切想要找到一個安全性能高的新密碼通信系統，這就是量子密碼的通信系統。量子密碼的通信實際上就是一個密鑰分發的過程，他的安全性主要是依賴量子力學里面的不確定原理、量子的不可復制定理與量子的性質不可分割性，所以這信息竊聽者的任何操作都會把量子態破壞而被發現。與此同時，在密碼通信里面使用的密鑰本身就是一次性的便箋密鑰。這種密鑰的加密密碼在目前的數學上是被證明不可以破解的，這也是到目前為止為一個被證明不可破譯的密碼。

4 結束語

雖然如今的量子密碼技術距離現實中商業化的應用有著一段的路程要走，這其中還需要去解決一直問題，但是隨著量子密碼體系的深入研究，將來會有更多的好的方案被提出，近年以來，不論是在理論上還是在實踐中，量子密碼技術都在一直地進步中，在不久的未來，隨著單光子技術的探索，量子通信技術日常生活中的應用將會更加完善，量子密碼已經成為了密碼學領域里的一員，在將來，量子計算機的廣泛使用，量子密碼也會在網絡通信的領域里取得更多的應用，我們也將迎來有一個新的量子信息時代。