《量子通信中的信息安全技术及比较》

量子通信中的信息安全技术及比较
量子，作为量子世界中最小的能量单位；通信，指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递；但是，当两者合二为一后，又会发生怎样的化学反应？又该给21世纪的科研界带来怎样的惊喜？
量子通信，是一种利用量子纠缠效应进行信息传递的新型的通讯方式。

而量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等……
2004年的6月3日，世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。

这个由美国BBM技术公司研发的量子密码通信网络和现有的宽带网并没有太大的不同，也是采用普通光纤传输数据，并且与普通网络完全兼容；不同之处是该网络中传输的数据采用了量子密码技术进行加密。

量子密码是利用量子存在状态作为信息加密、解密的密钥，其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”的量子纠缠态。

在量子世界中，量子作为最小能量单位，存在着一种“纠缠”效应。

而这种量子间的纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。

这种“纠缠”效应能够在两个完全相同的某量子态粒子之间建立某种联系，当其中一个的状态发生变化时，另一个也会发生相同的变化，而且这种变化与时间和空间无关。

另外由于对粒子的任何测量都会导致其量子态的变化，所以同时这种变化时不可能被第三者所知获的。

利用量子的纠缠效应，我们可以进行绝密和瞬时的通信。

量子密码技术是一种截然不同的加密方法，是密码编制人员追求的最高境界。

主要是利用两种不同状态的快速光脉冲 , 来以无法破译的密码传输信息。

任何想测算和破译密钥的人，都会因改变量子状态而得到无意义的信息，而信息合法接收者也可以从量子态的改变而知道密钥曾被截获过。

单量子态有两个特殊的脾气，使它能“守口如瓶”：一是根据量子不可克隆原理，未知的量子态不能被精确复制，所以人们不能像复制钥匙一样复制量子态；二是由于量子不确定性原理，任何试图对它“不轨”的举动，都会毁坏套在信息上的量子密钥“信封”，使盗贼自暴形迹。

从理论上来说，用量子密码加密的通信不可能被窃听，安全程度极高。

因此，量子密码通信是目前唯一被证明是绝对安全的保密通信。

美国《商业周刊》把它列在了“改变人们未来生活的十大发明”的第三位。

据美国权威机构估算，量子保密通信系统一旦商用，将形成高达10亿美元的市场。

1993年, 六位来自不同国家的科学家提出了利用经典与量子相结合的方法将一粒子的量子态传递给另一个粒子, 而此粒子仍留在原处, 称其为量子远程传态。

目前的理论和实验
研究,量子远程传态可分为两大类:一类是光子态的远程传态,它是基于分离变量的量子远程传态,以单光子态为信息载体,比如光子的两个偏振态,构成有限维的完备基,任何量子态都可以利用此完备基进行编码。

另一类是基于连续变量的量子远程传态。

它是以光场态为信息载体,比如光场的正交分量或偏振态,具有连续谱的量子变量,构成无限维的完备基。

在研究中发现,具有连续谱的量子变量比分离变量的量子比特更容易操作。

利用连续变量的量子信息的处理,只需要线性光电路来处理压缩光就足够了,而不象分离变量需要非线性的操作，而不像分离变量需要非线性的操作。

由于连续变量的易操作性，使得量子远程传态显示出很大的优势。

然而光子纠缠对的产生具有随机性, 从目前的技术来说, 获得有效的纠缠光子对的效率以及单光子的探测效率很低, 使得信息传输的速率极低, 但是量子态的远程传输的保真度很高, 甚至可以达到卯% 以上, 单光子的远程传态更适合与量子密钥的分发。

由于光场不能够无限的压缩, 因此光场的纠缠态也不能达到最大, 而且光场态对损耗很敏感, 使得量子远程传态的保真度较低。

但是光场态的远程传态消除了光子对的随机性, 提高了信息的传输效率, 与现有的光通信系统的兼容性很好, 可以充分利用现有的光通信系统和技术进行量子远程传态, 并且容易测量, 甚至可以直接测量。

因此，量子远程传态被认为是量子信息的重要环节, 传递量子信息是实现其它量子信息功能的基础之一, 比如量子计算, 量子信息处理等阴。

量子远程传态也为探讨量子力学基础理论, 如量子的非局域性的实验验证等, 提供了新的实验方法。

由于光场含有大量的光子, 其显著的量子效应为验证量子理论提供了宏观条件。

从目前的研究来看, 分离变量的远程传态适合于量子密钥分发,又因为连续变量的量子远程传态可以传输无限维的量子态，因此，它适合于量子信息传输。

说到量子密集编码，则不得不提到量子密码学。

量子密码体系采用量子态作为信息载体，经由量子通道在合法的用户之间传送密钥。

量子密码的安全性由量子力学原理所保证。

所谓绝对安全性是指：即使在窃听者可能拥有极高的智商、可能采用最高明的窃听措施、可能使用最先进的测量手段，密钥的传送仍然是安全的。

通常，窃听者采用截获密钥的方法有两类：一种方法是通过对携带信息的量子态进行测量，从其测量的结果来提取密钥的信息。

但是，量子力学的基本原理告诉我们，对量子态的测量会引起波函数塌缩，本质上改变量子态的性质，发送者和接受者通过信息校验就会发现他们的通讯被窃听，因为这种窃听方式必然会留下具有明显量子测量特征的痕迹，合法用户之间便因此终止正在进行的通讯。

第二种方法则是避开直接的量子测量，采用具有复制功能的装置，先截获和复制传送信息的量子态。

然后，窃听者再将原来的量子态传送给要接受密钥的合法用户，留下复制的量子态可供窃听者测量分析，以窃取信息。

这样，窃听原则上不会留下任何痕迹。

但是，由量子相干性决定的量子
不可克隆定理告诉人们，任何物理上允许的量子复制装置都不可能克隆出与输入态完全一样的量子态来。

这一重要的量子物理效应，确保了窃听者不会完整地复制出传送信息的量子态。

因而，第二种窃听方法也无法成功。

量子密码术原则上提供了不可破译、不可窃听和大容量的保密通讯体系。

量子密码学的理论基础是量子力学，不同于以往理论基础是数学的密码学。

如果用量子密码学传递数据，则此数据将不会被任意撷取或被插入另一段具有恶意的数据，数据流将可以安全地被编码及译码。

而编码及译码的工具就是随机的序列，也可以称他为金钥。

当前，量子密码研究的核心内容，就是如何利用量子技术在量子信道上安全可靠地分配金钥。

而随着量子密码研究的发展量子通信中的信息安全技术将更上一个新的台阶，这也奠定了量子通信无与伦比的优越性。

前文主要概述了量子通信主要涉及的三个技术面，这些技术好比计算机中的各种需要计算机作为载体方可运行的“软件”，而一台标准的计算机还是需要一定配置的“硬件”的。

量子通信系统的基本部件（硬件）包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。

按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。

前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。

所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。

从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。

但是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。

因此长期以来，隐形传送不过是一种幻想而已。

然而，量子通信技术作为一个“潜力股”，它在保密性、通信容量、通信距离等方面都具有十分明显的优势，而且它同时又是目前唯一被证明是绝对安全的保密通信，使得量子通信不仅具有惊人的商用价值同时亦具有无与伦比的科研地位。

量子通信是通信技术的又一次划时代革命，是未来通信发展的方向。

虽然量子通信有着广阔的应用前景，但在单元技术和理论方面还有许多需要解决的问题。

例如：目前无论是用光子还是电子做量子，设计者都要面对怎样长久保存量子信息的问题。

但是，这种保存技术一经研发出来，它能让许多数值并行计算，这将令量子电脑的计算能力变得空前的强大。

但目前实现这种功能的电脑，还停留在实验室阶段。

相信不久的将来，量子通信会离我们越来越近，并走进我们的日常生活，更一步推动全世界的现代化步伐的前进。