量子信息密码学综述
量子信息密码学综述
密钥分发协议中的量子比特采用直接编码的方式实现了 秘密共享，打破了基于纠缠态秘密共享方案效率不超过 50%的上限。 (1)Alice生成两个长度为n的随机比特串L和A。L确定制 备的基信息；A的值为发送直积态对应经典比特的异或 。 A
态制备
0 1
0 1 0 0 1 1 0
量子态 量子态编码信息
3、比特
bit 0，1 Byte 10011010; 00110110 …… 16位 1011011001101111; …….
任何一个n位存储器，某时刻可存储2n个数据之一
4、量子态与量子比特
Qbit（量子态）----（1）光子的偏振
量子信息密码学
韩正甫
中国科学技术大学，光学与光学工程系 中国科学院量子信息重点实验室
11/30/2015 中国密码学会年会，上海交通大学
一、信息的量子化
1、信息的经典处理过程
经典物理量---强度、 频率、相位”等
香浓信息论
（0、1）
1 0 0 1 1
模பைடு நூலகம்量 数字化
0
1
经典物理量编码信息
1、信息的经典处理过程
性要求其必在某处出现，只能任选一位
置（ A/B/C) 测量，在任一位置发现该粒 子的概率为波函数在该处的模平方，且
A,B,C,…为探测器
波函数即刻塌缩到该处！
量子力学的态（波函数）----概率波
量子态的叠加与干涉
上 单光子
单光子探测器 D1 D2
分束器 量子计算、量子密钥分配
分束器
1 2
下
上＋下
王双，银振强等，Nature photonics, 已接收待发
量子密码学简介
参考文献
《量子密码学》，曾贵华，科学出版社 《宇宙密码——作为自然界语言的量子物理》，（美）帕 格尔斯著，郭竹第译，上海辞书出版社
问题1：
如何在不损坏原来量子比特的情况下判定一个 未知量子比特的精确值，或者精确区分两个或 多个非正交量子比特。 如何同时精确测量量子比特中两个或多个非共 轭量。
问题2：
பைடு நூலகம்
通过物理和数学方法已经证明，上述两个 问题的求解是不可能的。 在第一个问题的基础上产生了量子不可克 隆定理；在第二个问题的基础上产生了海 森堡(Heisenberg)测不准原理。 显然，从基本思想方面来看，量子密码和 数学密码是一致的，都可以被认为是通过 求解问题的困难性来实现对信息的保护的， 只是量子密码中对问题的求解是通过物理 方式实现的，且上面所列的两个基本问题 的求解是不可能的。
量子密码学简介
以数学为基础的当前广泛使用的密码系统 (本书称为数学密码)利用数学难题设计密码 协议和算法，利用求解数学难题的困难性 保障密码方案的安全性。与此类似，也可 认为量子密码算法和协议是利用求解问题 的困难性或者不可能性来保障方案的安全 性。不过，这些问题是物理问题而不是数 学问题，求解这些问题也必须通过物理方 式实现。 下面是量子密码中的两个基本问题。
量子密码学
量子密码学密码学(cryptography)简单的说就是通过某种方式只能将信息传递给特定的接受者。
实现的手段基本上就是对要传递的信息实行加密 (encryption) 和解密 (decryption) 算法，从而使任何其它人没有办法获得原始信息。
密钥 (key) 指的是一串特定的参数，发送信息的一方用密钥和原始信息进行加密运算得到密文 (cryptogram)，接收方用密钥和密文进行解密运算得到原始信息。
加密和解密的算法是公开的，密文的保密性依赖于密钥的保密性。
密钥的保密性依赖于密钥的随机性和有足够的长度。
密钥分两类，一类是对称密钥 (Symmetric key) ，发送和接收方用同样的密钥进行加密解密，比如DES (Data Encryption Standard) 算法；另一类是非对称密钥 (Asymmetric key) ，发送和接收方用不同的密钥进行加密解密，发送方用公用密钥 (Public key) 加密，接收方用私有密钥 (Private key) 解密。
两个密钥有一定的数学关系，但是很难从公用密钥获得私有密钥，比如RSA算法采用的分解大数法。
一旦双方获得相应的密钥，密文就可以在公共信道上传递而不必顾忌公共信道上可能存在的窃听者，因为窃听者没有密钥，无法成功解密。
但是为了通信双方成功建立密钥，必须要有一个可靠和高度机密的信道传递密钥。
然而从理论上说，任何经典的密钥传递 (key distribution) 都不能保证总能察觉密钥是否被窃听。
因为经典的信息是无法区分的 (跟量子相比) ，窃听者可以读取信息然后还原该信息，接收方无法知道中间是否发生过窃听。
非对称密钥的好处就在于避免了密钥的传递，由于双方的密钥有一定的数学关系，但又不是用现有的计算能力能够快速破解的，比如RSA的分解大数关系，所以达到保密的目的。
这种方法的缺陷在于如果有一种比现有快很多的计算方法出现，就很容易获得私有密钥。
量子密码学：保护信息的新方法
量子密码学：保护信息的新方法
量子密码学是信息安全领域的一大革新，它利用量子力学的特性来保护数据的传输和存储。
传统的密码学方法，如RSA算法，依赖于数学上的难解问题，如大数分解。
然而，随着量子计算机的崛起，这些传统方法可能会变得易受攻击，因为量子计算机可以在短时间内解决传统密码学中的难题。
量子密码学通过利用量子力学中的不确定性原理来解决这一问题。
其中最著名的是量子密钥分发（QKD）协议。
在QKD中，信息传输的安全性建立在量子态的不可克隆性上。
发送方可以利用量子比特的特性创建和发送一种特殊的量子态，使得任何对该态的窃听都会引起量子态的塌缩，从而被检测到。
此外，量子密码学还涉及量子随机数生成和量子身份认证等技术。
量子随机数生成利用量子态的不可预测性生成高质量的随机数，这对加密密钥的生成至关重要。
而量子身份认证则利用量子态的非克隆性和量子测量的破坏性，实现了更加安全和难以伪造的身份验证过程。
尽管量子密码学在理论上提供了前所未有的安全性，但实际应用中仍面临一些挑战。
例如，当前的量子技术还不足以支持大规模的量子密钥分发网络，且实现和维护成本较高。
此外，对于量子计算机的发展也存在一定的不确定性，这使得量子密码学的应用和发展路径仍然需要进一步的研究和探索。
总体而言，量子密码学作为保护信息安全的新方法，展示了量子力学在信息安全领域的潜力和创新。
随着技术的进步和研究的深入，它有望成为未来信息安全的主要支柱之一，为我们的数字社会提供更加可靠和安全的保护。
量子计算与密码学详述
▪ 应对量子计算挑战的密码学技术
1.后量子密码学：后量子密码学是一种抵抗量子计算机攻击的 密码学技术，其主要包括基于格、基于编码、基于多线性映射 等方向的算法。 2.混淆电路：混淆电路是一种保护隐私的计算方法，可以在不 信任的双方之间进行安全计算。这种技术可以在一定程度上抵 抗量子计算机的攻击。 3.量子随机性：利用量子随机性生成的随机数具有更高的安全 性，可以用于加密和密钥生成等方面。这种技术可以在一定程 度上提高现有密码学的安全性。 以上内容仅供参考，具体还需要根据最新的研究和进展来进行 调整。
量子计算与密码学
量子密码学安全性和优势
量子密码学安全性和优势
▪ 量子密码学的安全性
1.量子密码学利用量子力学的原理，特别是在量子信息领域的 技术，提供了一种高度安全的信息加密和解密方式。其安全性 基于量子力学的不确定性原理和量子态的不可克隆性，使得窃 听者无法在不干扰通信的情况下获取信息。 2.与传统的加密方法相比，量子密码学具有更高的安全性。传 统的密码系统可能会受到计算能力的限制而被破解，但量子密 码学的安全性不受此限制，因为量子态的测量会改变其状态， 所以任何窃听尝试都会被立即检测到。 3.实际应用中，量子密码学已在一些重要领域得到应用，例如 军事通信、金融交易等，展现了其强大的实用性和潜力。
量子密码学简介
量子加密通信
1.量子加密通信利用量子力学原理，实现信息的加密和解密。 2.量子加密通信可以抵御窃听和拦截等攻击，保证通信的安全性。 3.目前量子加密通信已经应用于一些实际场景中，如金融和政府领域。
量子密码学的优势和挑战
1.量子密码学的优势在于具有信息论安全性，能够抵御传统密码学面临的攻击。 2.量子密码学的挑战在于实现难度大，需要克服许多技术难题。 3.未来量子密码学的发展需要更多的研究和创新，以推动实际应用的发展。
量子信息技术及其在密码学中的应用
量子信息技术及其在密码学中的应用随着信息技术的飞速发展，我们已经进入了信息化时代。
在这个时代，大量的信息需要在不同的场合中传递，而保证信息传递的安全性就显得尤为重要。
为了保证信息传递的安全性，人们对密码学进行了深入研究，并不断推陈出新地提出了一系列的加密算法。
然而，随着量子计算技术的发展，这些传统的加密算法已经不再安全。
此时，量子信息技术所提供的解决方案就显得尤为重要了。
1. 量子信息技术简介首先，我们来简单了解一下量子信息技术。
与经典信息技术不同，量子信息技术利用了量子物理学中一些奇妙的现象，例如量子叠加和量子纠缠。
利用这些现象，量子信息技术可以在一些特定的场合中实现比经典信息处理更高效、更安全、更可靠的信息处理。
目前，量子信息技术的应用领域主要包括量子计算、量子通信和量子密钥分发等。
2. 量子信息技术在密码学中的应用作为信息安全领域中最重要的工具之一，密码学主要涉及加密和解密。
因此，在讨论量子信息技术在密码学中的应用时，我们重点关注量子信息技术对加密和解密的影响。
2.1 传统加密算法的破解经典加密算法的加密过程常常使用一些基础的数学算法，例如对称加密中的异或操作和AES算法中的置换和代换。
在这些加密算法中，密钥长和加密算法的复杂度往往是保证加密强度的关键因素。
然而，由于经典计算机的加密算法破解速度已经越来越快，传统加密算法已经有被破解的风险。
2.2 量子计算机的崛起在这种情况下，量子计算机成为了可能突破当前加密算法的解决方案。
量子计算机能够同时处理多个状态，并在快速寻找出最佳的结果。
这种并行处理能力在解决一些复杂计算问题时具有重要的优势。
同时，量子计算机也能够针对一些当前常用的加密算法产生实际上无法被破译的攻击方式。
2.3 量子密钥分发为了应对量子计算机所带来的安全挑战，我们需要一种更为安全可靠的加密方式。
这就是当今研究的一个热门方向：量子密钥分发。
它利用量子物理学中的量子态叠加和量子纠缠等现象能够在不安全的传输信道上实现产生一个非常高质量的随机密钥。
量子信息在密码学与安全领域中的应用
量子信息在密码学与安全领域中的应用随着信息技术的飞速发展，保护信息安全的重要性也越来越被人们所重视，尤其是在传输和存储信息的过程中，存在着诸多的风险和威胁，比如黑客攻击、间谍窃听等问题，这些威胁可能导致重要信息的泄漏和丢失，给国家、企业和个人带来不可估量的损失。
为了更好地保护信息安全，人类探索了各种技术手段，其中，量子信息技术无疑是最前沿和最有潜力的技术之一。
本文将从密码学和安全两个方面，探讨量子信息技术在这两个领域中的应用。
一、密码学中的量子信息技术在密码学领域，人们的重点探讨往往是如何保证信息安全，在传统编码技术中，常用的是对称加密和非对称加密两种方式，但是这些算法的安全性都可能被攻击者所突破，因此加密技术的长期稳健性仍然是一个未解之谜。
而量子信息技术在密码学中的应用，则具有更高的保密性和安全性。
1. 量子随机数生成随机数种子在密码学中起着至关重要的作用，各种加密技术都需要这个种子来构建加密算法。
但是，人类生成的随机数并不是真正的随机数，而是伪随机数，因此容易被破解。
而利用量子技术生成随机数，则可以确保随机性的真正意义上的随机性，使得加密算法更加安全。
量子随机数生成方法的基本原理是：利用单光子的量子随机性，通过测量，可以得到一个真随机的数列。
这种方法的安全性和可靠性是基于量子力学基本定理的，即测量一个量子态会造成量子态崩溃的原理，攻击者无法窃取量子测量信息。
2. 量子密钥分发量子密钥分发是指利用量子通信通道进行密钥的交换。
量子密钥分发的基本原理是，将两个不同的量子态通过光子纠缠传送，使得两个态之间的关系无法被窃取，从而实现安全的密钥交换。
利用量子密钥分发技术，可以实现绝对安全的密钥交换，即使攻击者拥有无限制的计算能力，也无法窃取到密钥。
3. 量子认证与签名量子认证与签名是针对数字证书的量子技术，将数字证书中的私钥通过量子技术进行传输，从而实现无法被窃取的数字签名和认证。
在传统的数字签名中，私钥很容易被窃取，从而使数字签名失去保护作用。
量子信息技术应用于密码学保密性与解密性比较
量子信息技术应用于密码学保密性与解密性比较随着科学技术的发展，量子信息技术作为一项前沿技术受到了广泛的关注与研究。
在密码学领域，量子信息技术的应用已经成为一个热门研究方向。
本文旨在探讨量子信息技术在密码学保密性与解密性方面的应用，并比较其与传统密码学的差异。
1. 传统密码学的保密性与解密性传统密码学主要依靠数学算法和计算机科学技术来实现信息的保密性和解密性。
其中，对称密码学算法采用相同密钥进行加密和解密，而非对称密码学算法则使用公钥和私钥进行加密和解密。
传统密码学技术在很大程度上依赖于计算的困难性，即使是最强大的计算机也需要花费大量的时间和资源来破解密码。
但随着计算机性能的提升和密码分析技术的进步，传统密码学的安全性不断受到挑战。
2. 量子密码学的保密性与解密性量子密码学是一种基于量子力学原理的密码学方法，它利用量子信息技术的特性来实现更高级别的保密性与解密性。
量子加密通信技术是量子密码学的核心应用之一，其具有不可破解性和不可拷贝性的特点。
在量子通信中，信息是通过单个量子比特（qubit）进行传输，而非传统的0和1比特。
由于量子信息的威力和状态的脆弱性，任何窃听的行为都会导致信息的不可知和不可测。
量子密码学基于这一原理，通过对量子比特的观测和控制来保证信息的保密性和解密性。
3. 保密性比较在保密性方面，量子密码学具有传统密码学不可比拟的优势。
传统密码学的安全性主要依赖于算法的复杂性和计算机的运算能力，而量子密码学基于量子力学原理，具有绝对的保密性。
由于量子态的测量结果受随机性和干扰的影响，窃听者无法从传输的量子信号中获得任何有关密钥的信息。
因此，量子密码学可以提供更高级别的保密性，并抵御传统密码学所面临的各种攻击。
然而，尽管量子密码学在理论上具有绝对的保密性，但目前仍存在一些实际的挑战。
首先，量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）技术作为量子加密通信的核心部分，对硬件设备的要求非常高。
量子密码学与传统密码技术的综合分析
量子密码学与传统密码技术的综合分析近年来，随着量子计算及通信技术的突飞猛进发展，量子密码学作为一种新兴的密码学领域引起了广泛的关注。
与传统密码技术相比，量子密码学在信息传输中具有许多独特的优势。
本文将对量子密码学与传统密码技术进行综合分析，探讨其在信息安全领域的应用前景。
一、量子密码学的基本原理量子密码学是基于量子力学原理的一种新型密码技术。
其基本原理是利用量子力学中的不确定性原理和纠缠态特性来实现信息的安全传输和加密。
量子密码学主要包括量子密钥分发协议、量子认证协议和量子标记协议等。
在量子密码学中，量子密钥分发协议是最常见的应用方式，通过利用量子纠缠态特性和量子测量技术，实现密钥的安全分发和共享，从而保障通信的安全性。
二、传统密码技术的基本原理传统密码技术是指基于数论、代数学和信息论等数学基础的密码学技术。
其基本原理是通过加密算法和密钥管理来保护信息的机密性和完整性。
常见的传统密码技术包括对称密码和非对称密码。
对称密码是指发送方和接收方使用相同的密钥进行加解密操作，常见的对称密码算法有DES、AES等；非对称密码则是使用公钥和私钥进行加解密，RSA算法就是一种非对称密码算法。
三、量子密码学与传统密码技术的比较3.1 安全性量子密码学相较于传统密码技术在安全性方面具有更高的优势。
传统密码技术的安全性依赖于密钥长度和加密算法的复杂度，而随着计算机算力的提高和量子计算技术的发展，传统密码技术逐渐变得脆弱。
相比之下，量子密码学通过利用量子力学的原理，可以提供更高的安全保障。
例如，量子密钥分发协议基于量子纠缠和量子测量原理，可以实现绝对安全的密钥分发，即使是量子计算机也无法破解。
3.2 效率传统密码技术在效率方面有一定的优势。
由于量子密码学涉及到量子态的制备和测量，所需的硬件设备和技术较为复杂，因此在实际应用中会带来较高的成本和资源消耗。
而传统密码技术已经经过长时间的发展和优化，具备了较高的效率和稳定性，在许多实际应用场景中得到了广泛应用。
量子密码学：保护信息的新方法
量子密码学：保护信息的新方法
量子密码学，这一前沿科技领域，正以其独特的安全机制，为信息保护开辟了新的道路。
在传统的密码学中，加密信息的安全性依赖于数学难题的复杂性，如大素数的乘积难以分解。
然而，随着计算能力的提升，特别是量子计算机的潜在威胁，这些传统加密方法的安全性正受到挑战。
量子密码学则不同，它利用量子力学的原理来保证信息的安全。
量子密钥分发（QKD）是量子密码学中的一个重要应用，它允许两个远程方通过量子通道安全地共享密钥。
量子力学的核心原则之一是“量子不可克隆定理”，即一个未知的量子态无法被精确复制。
这意味着，任何试图窃听量子通信的行为都会立即被通信双方察觉，因为窃听会不可避免地改变量子态，从而破坏信息。
此外，量子密码学还利用了量子纠缠的特性。
量子纠缠是一种奇特的现象，其中两个或多个粒子以一种方式相互关联，以至于一个粒子的量子态无法独立于其他粒子的态来描述。
这种纠缠可以用来创建密钥，即使在长距离上也能保持密钥的安全性。
量子密码学的另一个优势是它的前向安全性。
即使未来量子计算机能够破解当前的加密算法，通过量子密钥分发的信息仍然是安全的，因为密钥的生成和分发过程本身是量子安全的。
尽管量子密码学提供了前所未有的安全保障，但它也面临着实际应用的挑战。
量子通信需要高度精确的设备和极低的噪声环境，这对技术的要求极高。
此外，量子网络的建设和维护成本也是一个不容忽视的问题。
总之，量子密码学作为一种新兴的信息保护方法，展现了巨大的潜力。
随着技术的进步，我们有理由相信，量子密码学将在未来的信息安全领域扮演越来越重要的角色。
网络信息安全-作业三 -量子密码学及其特点概述
量子密码学及其特点概述1、什么是量子计算量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。
对照于传统的通用计算机，其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机，其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。
从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。
2、什么是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。
量子密码学在经典物理学中，物体的运动轨迹仅由相应的运动方程所描述和决定，不受外界观察者观测的影响，或者说，这种影响微乎其微可完全被忽略。
同样，一个基于经典物理学的密码系统中的信息也不会因窃听者的窃听而改变，这完全是由经典物理学所研究的宏观范围决定的。
然而，在微观的量子世界中，情形就完全不同了。
因为观察量子系统的状态将不可避免地要破坏量子系统的原有状态，而且这种破坏是不可逆转的。
这就意味着：当你用一套精心设计的设备来偷窥量子系统的状态时，你所能看到的仅是在你介入之后的状态，即量子系统改变后的状态，而在此之前的状态则是无法推知的。
如果利用量子系统的这种特性来传递密钥，那么窃听者的一举一动都将被量子系统的合法用户所察觉，而且窃听者也不可能获得真正的密钥数据3、量子密码的加解密过程等到目前为止，主要有三大类量子密码实现方案：一是基于单光子量子信道中海森堡测不准原理的；二是基于量子相关信道中Bell原理的；三是基于两个非正交量子态性质的。
“量子密码”是利用质子的极化方式编排密码。
质子能以四种方式极化；水平的和垂直的，而且互为一组，两条对角线的也是互为一组。
要在两端传递量子密钥.其中一种方法就是以激光发出单一光子，光子会以两种模式中的其中一种偏振。
光子的第一种偏振方向是垂直或平行（直线模式）；第二种则是与垂直呈45度角（对角模式）。
《量子密码学简介》课件
障。
E91协议
基于纠缠态的量子密钥分发协议
E91协议由Artur Ekert于1991年提出，是一种基于纠 缠态的量子密钥分发协议。该协议利用量子纠缠的特 性，通过测量纠缠态来分发密钥，保证了信息传输的 安全性。
E91协议
量子密码学与传统密码学的最大区别 在于，它利用量子态的不可克隆性和 测量坍缩原理，确保信息的绝对安全 。
量子密码学的起源与发展
量子密码学的起源可以追溯到20世纪80年代，当时物理学家意识到量子力学原理 可以应用于信息加密和安全通信。
随着量子计算技术的发展，量子密码学逐渐成为信息安全领域的研究热点。目前 ，量子密码学已经取得了一系列重要的研究成果和应用。
量子密码学的应用场景
量子密码学在金融、军事、政府等领 域有广泛的应用前景。它可以用于保 护金融交易、机密军事通信、政府数 据等敏感信息的传输和存储。
VS
随着量子计算技术的发展，量子密码 学在未来的信息安全领域中将发挥越 来越重要的作用。它可以为未来的互 联网和物联网提供更加安全和可靠的 信息传输和存储解决方案。
Shor算法
分解大数的有效算法
VS
Shor算法由Peter Shor于1994年提 出，是一种分解大数的有效算法。该 算法利用量子并行性，可以在多项式 时间内分解大数，打破了传统计算方 法的限制。
Shor算法
利用量子并行性
Shor算法利用量子并行性，通过同时处理多个数的方式，实现了大数的快速分解。这种算法的出现对密码学产生了深远的影 响，使得一些传统的加密算法变得不再安全。
传统密码学
已经广泛应用于各种领域，从个人通信到大型企业数据保护。
量子密码
量子密码的安全性基于量子力学的基本原理，而传统密码学是基于某些数学算法的计算复杂度。传统密码学无法察觉窃听，也就无法保证密钥的安全性。
量子密码只用于产生和分发密钥，并没有传输任何实质的信息。密钥可通过某些加密算法来加密信息，加密过的信息可以在标准信道中传输。
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1 量子密钥分发
基于纠缠态
两个或更多的量子状态能够建立某种联系，使得他们无论距离多远依然要被看做是一个整体的量子状态，而不是独立的个体。这被称为量子纠缠。他们之间的联系是，比如，对其中一个量子的测量会影响其他量子。如果纠缠的量子对被通信的双方分别持有，任何对信息的拦截会改变整个系统，使第三方的存在（以及他截获信息的数量）被检测到。
[编辑] Ekert 协议（1991年）
Alice和Bob分别接收到EPR对中的一个：
|Ψ> = .
之后双方都大量的随机选择基去测量，之后用贝尔不等式验证测量结果，来判断是否有人窃听。
BB84协议的另一种实现方法
量子密码学的基本原理与加密技术
量子密码学的基本原理与加密技术量子密码学是一种基于量子力学原理的加密技术，它利用量子力学中测量的不确定性，提供了更高级别的信息安全保障。
在传统的加密技术中，加密算法的安全性主要是基于数学难题的解决难度，而量子密码学的基本原理则是基于量子力学的原理。
本文将介绍量子密码学的基本原理和加密技术。
量子密码学的基本原理主要包括量子态的不可克隆性、量子比特的测量不确定性和量子纠缠的不可破解性。
首先，量子态的不可克隆性是指不能复制一个已知的量子态。
在经典密码学中，如果攻击者能够获得密钥的副本，那么他们就能够解密信息。
但在量子密码学中，根据量子态的不可克隆性原理，即使攻击者拥有密钥的副本，他们也无法复制代表密钥的量子态，从而无法解密信息。
其次，量子比特的测量不确定性是指在测量一个量子比特时，无法事先确定它的值。
在经典密码学中，攻击者可以通过窃听传输数据的通信线路来获得密钥的信息。
然而，在量子密码学中，由于量子比特的测量不确定性，攻击者无法事先确定量子比特的值，因此无法窃取密钥。
最后，量子纠缠的不可破解性是指利用量子纠缠的特性来实现加密通信。
量子纠缠是一种特殊的量子态，两个或多个量子比特之间存在相互关联的关系。
在量子密码学中，通过建立量子纠缠的通道，发送方和接收方可以安全地传输加密信息，因为任何对这些量子比特的窃听或窃取信息的企图都会破坏量子纠缠，从而被立即检测到。
基于以上的基本原理，量子密码学发展出了一系列的加密技术。
首先是量子密钥分发（QKD）技术，它是量子密码学中最重要的技术之一。
QKD技术利用量子纠缠的特性，通过量子通道将密钥安全地传输给接收方。
传统的加密方法中，密钥分发是一个风险较大的环节，因为传输的密钥可能会被窃听或篡改。
而QKD技术中，由于量子状态的不可复制性和测量的不确定性，确保了密钥分发的安全性。
其次是量子隐形传态技术，它利用量子纠缠的特性，实现了信息的隐形传输。
在传统的通信中，信息的传输需要通过物理媒介，容易被攻击者窃听。
量子密码学的基本原理及应用示例
量子密码学的基本原理及应用示例量子密码学是一种基于量子力学原理的安全通信方法，通过利用量子特性来保障信息的安全性。
与传统的密码学相比，量子密码学能够提供更高级别的安全性，因为量子力学的性质使得任何对信息的窃听、篡改和伪造都会被立即检测到。
本文将介绍量子密码学的基本原理，并举例说明其在实际应用中的一些示例。
量子密码学的基本原理包括量子键分发、量子信息编码和量子密钥分发。
量子键分发是量子密码学的核心概念，它利用量子纠缠和量子不可克隆性原理来达到密钥分发的安全性。
量子纠缠是指两个或多个量子系统之间存在着非经典的相互关联，其测量结果之间具有确定性的关系。
通过将两个量子比特进行纠缠，然后测量其中一个比特的状态，可以保证另一个比特的状态也会发生相应的变化。
这种纠缠关系使得任何对量子比特的窃听都会导致其状态被改变，并能够通过比特间的纠缠关系来检测窃听的存在。
量子信息编码则是将传统的数字信息编码成量子比特的形式，并将其传输到接收方进行解码。
在传统的密码学中，信息编码的安全性依赖于密码的复杂性和加密算法的强度。
然而，在量子密码学中，信息编码的安全性取决于量子比特的性质，如不可克隆性和纠缠关系。
由于量子比特的状态在测量之前无法被知晓，即使敌方拥有传输的量子比特，也无法获取到其中的信息内容。
量子密钥分发是利用量子纠缠和量子信息编码来分发密钥并确保其安全性。
在密钥分发过程中，发送方通过将密钥编码为量子比特并发送给接收方。
接收方在接收到量子比特后，利用纠缠关系测量其中的比特，并根据测量结果重建密钥。
由于量子比特的状态在传输过程中是保持秘密的，同时量子纠缠的特性也可以检测到任何对密钥的窃听行为，因此量子密钥是安全的。
量子密码学在实际应用中有许多示例。
其中最重要的应用之一是量子密钥分发用于安全通信。
通常在传统的通信中，公钥密码学被用于安全地交换密钥，但该方法仍然存在被窃听和破解的风险。
通过使用量子密钥分发，可以确保密钥在传输过程中不会被窃听，从而实现了更高级别的安全性。
量子信息科学
量子信息科学量子信息科学是一门新兴的、跨学科的科学领域，涉及量子力学、计算机科学、通信技术等多个领域。
本文将对量子信息科学进行综述，并探讨其在当今科技发展中的应用前景。
一、量子信息科学的基本概念量子信息科学是基于量子力学的理论和实验研究，旨在利用量子力学的特性来实现信息的存储、传输和处理。
与传统的经典信息相比，量子信息具有更高的存储密度、更快的传输速度和更强的安全性。
二、量子信息科学的主要研究领域1. 量子计算量子计算是量子信息科学的核心领域之一。
传统的计算机使用二进制位表示信息，而量子计算机使用的是量子比特（或称量子比特），可以同时表示多种状态。
这使得量子计算机在处理某些复杂问题时具有超越经典计算机的优势。
2. 量子通信量子通信是利用量子纠缠等量子技术实现高效、安全通信的一种方式。
量子通信可以在传输过程中保持信息的完整性和机密性，有效地防止信息被窃取或篡改。
目前，量子密码学已逐渐应用于金融交易、政府通信和军事领域。
3. 量子信息处理量子信息处理包括量子算法的设计和实现，以及对量子信息进行存储和处理的技术。
通过量子信息处理，可以提高信息的处理速度和存储密度，有助于解决一些难以在传统计算机上处理的问题。
4. 量子仿真量子仿真是利用量子计算机模拟和研究量子系统的行为。
由于量子系统的复杂性，传统计算机无法准确地模拟和研究量子系统。
而量子仿真可以通过模拟量子系统的行为，更好地理解和探索量子力学的规律。
三、量子信息科学的应用前景1. 量子计算机量子计算机具有在某些领域具有突破性的计算能力，如因子分解和最优化问题的求解。
随着量子技术的不断突破和发展，相信量子计算机将在未来扮演重要角色，推动科学研究和技术创新。
2. 安全通信量子通信的核心思想是利用量子态传输信息，能够有效防止信息窃听和篡改。
随着量子密码学的成熟和商业化，量子通信将在金融、政府和军事等领域发挥重要作用。
3. 材料科学量子信息科学在材料科学领域的应用也具有广阔的前景。
量子密码学的原理及应用案例
量子密码学的原理及应用案例量子密码学是利用量子力学的原理设计的一种密码学体系，具有不可伪造、不可复制、不可分割等特点，可用于无条件安全通信、数字签名、身份验证等领域。
本文将从量子密码学的原理入手，介绍其应用案例，并探讨其未来可能的发展方向。
一、量子密码学的原理量子密码学是基于量子力学的原理设计的一种加密技术。
量子力学是研究物理现象在微观尺度下的行为的科学，其原理包括叠加原理、不可分割原理、微扰原理等。
通过利用量子力学中的这些原理，我们可以设计出具有很高安全性的密码学体系。
其中，不可分割原理是量子密码学的基础原理，也称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森论点（EPR）定理。
这一原理表明，两个量子系统可存在一种特殊的状态，即“纠缠态”，两个系统之间的相互作用是无法通过任何经典手段获知的。
因此，通过产生一对纠缠光子对，将一光子用作传输密钥，另一光子作为被传输数据的一部分，就可以实现信息的安全传输。
目前，实现量子密钥分发（QKD）的主要方法有BB84协议、E91协议等。
BB84协议是一种基于不确定性原理的量子密钥分发协议，其核心在于基于量子态的不可克隆性，即利用所谓的“光子拆位”来达到密钥安全的目的。
E91协议则是一种通过量子迹判定实现的量子密钥分发协议，其可靠性比BB84更好。
二、量子密码学的应用案例1.无条件安全通信量子密码学的最重要应用领域是无条件安全通信。
根据不可分割原理，量子通信的传输过程是无法被窃取或拦截的。
在量子密钥分发后，通信双方可以利用密钥进行加密和解密，从而保证通信的安全性。
因此，量子通信是目前唯一一种可实现最高安全级别的通信方式。
2.数字签名数字签名是一种确保数据源的可信性的技术。
传统的数字签名技术是依赖于具有保密性质的公钥密码学算法。
但是，这些算法中的某些部分，例如生成密钥的过程，是需要通过计算机进行的。
一旦计算机被黑客攻击，签名的有效性就会大大降低。
量子数字签名则使用了类似于量子密钥分发的技术，确保签名的过程在物理层面上不可被伪造或复制。
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热点1-参考系无关量子密钥分配
参考系校准的安全性风险
Alice与Bob双方的参考系没有对齐
BB84协议不能够正常成码 产生很大的误码
耗费大量时间和 资源，并且Eve 可能从该过程获 得信息。能否去 掉参考系校准？
需要不时地校准对 齐双方的参考系
参考系无关量子密钥分配的实验
AT T
实 验 系 统
王双，银振强等，Nature photonics, 已接收待发
2、量子秘密共享 Bob Alice
GHZ态
三光子纠缠态
Charlie
M. Hillery, V. Bužek, and A. Berthiaume, Phys. Rev. A 59, 1829 (1999).
基于非纠缠的经典消息秘密共享
memory
Coherent attack
Renato Renner
Alice’s photons Bob’s detectors
memeory Eve’s probes memeory memeory
量子密钥分配协议的安全性 等价于collective攻击下的安全性
Collective attack
中科院量子信息重点实验室
BB84协议安全性的信息论证明
Alice和Bob之间的不确定度
H ( X | Y ) h(1 2 )
不同测量基下有相同的误码率
3 4 Q 2 4 Q
最终的安全密钥率公式为
1 2Q 4 Q 4 R min4 1 (1 Q)h( ) Qh( ) h(Q) 1 Q Q
A B
5、量子态的特殊性质
量子态：又称“波函数”，用来描述物质世界的“ 波粒二相 性”， 本身是不可以被直接测量，其平方才代表粒子被 发现的概率！！
（1）、量子态的叠加（干涉）性 （2）、量子态的测量塌缩 （3）、量子态的非定域性 （4）、量子态的不可克隆性
二、量子信息密码学的相关进展
1、基于纠缠态的量子密钥分配
满足经典物理 要求的处理方 法—实数！
香浓信息论
1 0 0 1 1
模拟化
0
1
经典物理量编码信息
2、信息的量子化处理过程
量子态—偏振、相位等
量子信息论
0 1
模拟量 数字化
0 1
0 1 0 0 1 1 0
量子化
量子态编码信息
2、信息的量子化处理过程
满足量子力学规律 的处理方法！
量子信息论
0 1
模拟化 数字化
----量子密钥分配安全性的基础
单边量子操作
Alice
翻 转
Bob
测量 1 或 测量 0
测量 1 或 测量 0
正反关联可变，但测量塌缩的随机性不变！
纠缠不能实现超距和超光速通信！！
Alice
测量塌缩过程不可控 ---纠缠不能单独用来 发送信息！ 只能用来分配密钥！
Bob
测量 1 或 测量 0
测量 1 或 测量 0
X ,Y , x , y
( 1) X Z xz P( XZ | xz)
安全假设：态制备和测量是二维希尔伯 特空间，误码归结为比特、相位误码…
中科院量子信息重点实验室
单光子量子密钥分配安全性--信息论证明
Alice’s photons Bob’s detectors
Eve’s probes
Int. J. Theor. Phys. 52, 1043–1051 (2013)
2015年，Qin等人提出前摄QSS协议，参与者存
储的消息可以及时更新，以防止窃取，而秘密消 息却不发生变化。
H. Qin and Y. Dai,"Proactive quantum secret sharing" Quantum Inf Process 1 (2015).
2003年，Guo等人基于量子不可克隆定理，利用对量子
密钥分发协议中的量子比特采用直接编码的方式实现了 秘密共享，打破了基于纠缠态秘密共享方案效率不超过 50%的上限。 (1)Alice生成两个长度为n的随机比特串L和A。L确定制 备的基信息；A的值为发送直积态对应经典比特的异或 。 A
态制备
粒子干涉与直觉的差异
非局域性----纠缠
A
B
EPR粒子对
非局域性：对A（或B）的任意测量必然会影响B （或A）的量子态，不管A和B分离多远。 量子纠缠态
AB
1 2
A－B可构成“量子通道”。
量子不可克隆定理
不存在某物理过程可精确地复制任意量子态
A B
量子克隆机
量子密码安全性的基础 量子信息提取的关键障碍
0 1
0 1 0 0 1 1 0
量子态 量子态编码信息
3、比特
bit 0，1 Byte 10011010; 00110110 …… 16位 1011011001101111; …….
任何一个n位存储器，某时刻可存储2n个数据之一
4、量子态与量子比特
Qbit（量子态）----（1）光子的偏振
For proving the security of a QKD scheme against arbitrary attacks, it suffices to consider attacks that have a certain product structure.
Renner Renner. PHD thesis (2005)
在承诺阶段，承诺者Alice向接收者Bob发送某种证据来 表明她已经承诺了一个比特值； 在揭示阶段，Alice告诉Bob她的承诺值是b，Bob结合之 前的证据来验证Alice在承诺阶段的确承诺的是b。 如果协议的安全性是由量子力学原理保证的，那么就说 这个协议是量子比特承诺协议(quantum bit commitment, QBC)。
BB84协议安全性的--物理证明
本质上利用了纠缠的单配性质：
若 A 和 B 建立最大纠缠则 A 和 E 不存在任何纠缠！三方共享资 源有限
W. Shor, J. Preskill ，Phys. Rev. Lett, 85, pp. 441-444. (2000)
gchsh ( X , Z )
2 2 gchsh ( A, B) gchsh ( A, E) 8.
Alice
纠缠光子对
Bob
测量 1 或 测量 0
测量 0 或 测量 1
1、基于纠缠态的量子密钥分配
Alice
纠缠光子对
环境 干扰 纠缠 提纯 测量 0
Bob
环境 干扰 纠缠 提纯 测量 1
纠缠的单配性
Alice
最大纠缠
Bob
？
Charlie
若Alice 与 Bob具有完美纠缠，其中任何一个 都不可能与第三者分享纠缠！！
2013年，Shi等人基于“中国剩余定理”优化
QSS系统结构，通过对非最大纠缠态的分析提出 一种新型QSS方案。
Int. J. Theor. Phys. 52, 539–548 (2013)
经典消息的秘密共享：
2013年，Wang等人提出高维QSS协议，将量子
态信息编码在单光子的偏振和空间模式上。
性要求其必在某处出现，只能任选一位
置（ A/B/C) 测量，在任一位置发现该粒 子的概率为波函数在该处的模平方，且
A,B,C,…为探测器
波函数即刻塌缩到该处！
量子力学的态（波函数）----概率波
量子态的叠加与干涉
上 单光子
单光子探测器 D1 D2
分束器 量子计算、量子密钥分配
分束器
1 2
下
上＋下
A. Ací n, N. Brunner, N. Gisin, et. al., Phys. Rev. Lett. 98, 230501 (2007).
测量装置无关量子密钥分配
Bell states measurement（BSM）
H.-K. Lo, M. Curty, and B. Qi, Phys. Rev. Lett. 108, 130503 (2012).
Sasaki, et al., Nature, 509, pp475-478(2014)
RRDPS协议的被动实现方案
L=5, with 4 SSPDs (复用探测器)
Sasaki, et al, Nature photonics, (2015)
RRDPS协议的主动实现方案
L=65, 两个单光子探测器
A
B
纠缠源
2、 量子通信----量子隐形传态
Alice
Bob
C
A
B
C
么正变换
纠缠源
3、单光子量子密钥分配--BB84协议
Charles H. Bennett
Gilles Brassard
图片引自文献：W. Tittel, G. Ribordy, and N. Gisin, "Quantum cryptography," Physics World, March 1998
0 , 1
（2）电子的自旋
0 （3）原子的能级 …… 1
QByte： 0 1 1 0 1 1 0 0
任何一个n位存储器，某时刻可存储2n个数据！
量子力学怎么理解世界？
----既具有粒子性又具有波动性
设想一微观粒子进入某空间，其波函数 必布满该空间（满足边界条件）；粒子
量子信息密码学
韩正甫
中国科学技术大学，光学与光学工程系 中国科学院量子信息重点实验室
10/29/2015 中国密码学会年会，上海交通大学