量子加密系统
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
❖ 注：EPR，Einstein-Podolsky-Rosen，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森
❖ “海森堡测不准原理”、 “单量子不可复制定理” 及“单个量子的不可完全擦除定理”保证了量子加 密系统的安全性。
量子加密传送过程
❖ 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）。 不管是哪一种模式，光子的不同指向分别代表0或1这两个数字。
❖ 光子对的状态改变程度是完全随机、不可预测的，理论上第三方粒子根本无 法在不截获量子密钥的情况下对加密信息进行解码，而对光子的检测行为同 样会改变光子对的状态，从而暴露窃密者。接受端对光子状态的改变自然是 合法的，窃密者则完全无法做到神不知鬼不觉。在此之前，人们并不知道在 相隔甚远的岛屿之间利用大气传输的纠缠光子对是否能互相影响，而研究的 成功让ESA确信，距离并不会影响量子加密传输的效果，用于卫星通信也不 存在问题。
加密系统的数学表达
❖ 一个加密系统S可以用数学符号描述如下： S={P, C, K, E, D}
其中
P——明文空间，表示全体可能出现的明文集合，
C——密文空间，表示全体可能出现的密文集合，
K——密钥空间，密钥是加密算法中的可变参数，
E——加密算法，由一些公式、法则或程序构成，
D——解密算法，它是E的逆。
量子加密系统
❖ 量子加密系统最基本的原理是“量子纠缠”，即利 用一个特殊的晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光 子，其粒子间即使相距遥远也是相互联结的，而此 对纠缠光子都有着各自不同的偏振方向，是无法确 定的，只有当光子被测量或受到干扰，它才有明确 的偏振方向，一但其中一个光子的方向被确定，那 么另一个光子就被确定为与之相关的偏振方向。
❖ 在经典密码体制中只有一次一密具有无条件安全性, 它要 求有与被加密数据相同长度的随机密钥。而如何产生足够 长的随机密钥一直是个难题, 所以一次一密并没有得到实 际应用。量子密码的出现将解决这个难题。
关于加密
❖ 所谓加密，就是把数据信息即明文转换为不可辨识的形式即 密文的过程，目的是使不应了解该数据信息的人不能够知道 和识别。将密文转变为明文的过程就是解密。加密和解密过 程形成加密系统，明文与密文统称为报文。任何加密系统， 不论形式如何复杂，实现的算法如何不同，但其基本组成部 分是相同的，通常都包括如下4个部分： (1) 需要加密的报文，也称为明文； (2) 加密以后形成的报文，也称为密文； (3) 加密、解密的装置或算法； (4) 用于加密和解密的钥匙，称为密钥。密钥可以是数字、 词汇或者语句。
v 但是这又衍生一个新的问题， 远距离传输时不被诸如空气等 因素干扰？
量子加密实现远距离传输
❖ 一群欧洲科学家最近在量子加密研究上取得新突破，利用光束让加密代码跨 越了90英里(145千米)宽的海洋。该成果已经发表在本月的学术杂志《自然物 理学》上。
❖ 试验是在非洲西北部的加那利群岛上进行的，其中光源位于La Palma岛，接 受端则位于Tenerife岛，二者相隔90英里。赞助这一研究的欧洲空间局(ESA) 称，试验的成功让ESA距离把量子纠缠作为“百分之百安全的卫星通信”更 近一步了。
❖ 量子纠缠是量子力学领域内的独特现象，是指无论两个粒子间相隔多远，一 个粒子的变化都会影响另一个粒子的行为，即它们是相互关联的。利用非线 性的自发参量下转换(SPDC)，甚至可以直接创造互相纠缠的光子对，进而用 于数据加密与传输。如果其中一个光子接触到了第三个粒子，另一个光子也 会立即改变状态，即使它与第一个光子“天各一方”。
❖ 随着网络技术的快速发展, 大量敏感信息需要通过网络传 输, 人们需要对自己的信息进行保护以免丢失或遭受攻击。
❖ 密码学为我们提供了有力的保证。用户用一个加密密钥对 自己的数据进行加密, 加密后的数据只能被相应的解密密 钥恢复, 非法用户则因为没有解密密钥而“ 看不到” 真实 数据。通信双方事先协商好密钥就可进行秘密通信。经典 密码体制相对于量子密码体制包括对称密码体制和公钥密 码体制, 其算法安全性主要是计算安全性。
❖ Alice以直线或对角随机模式送出光子，发射出一串位元。Bob也随机决定以两 种模式之一来量测射入的位元。只有当Bob与Alice选用相同的模式时，位元的 指向才能保证是正确的
❖ 在传送之后， Bob与Alice互相联络，这时不需要保密， Bob告诉Alice是用哪 种模式接收个别光子。不过他并没有说明各个光子的位元是0或1。接着Alice告 诉Bob他哪些模式的测量方式是正确的。他们会删除没有以正确模式观测的光 子，而以正确模式所观测出来的光子便成为密钥，用来 由于“海森堡测不准原理” ， 她无法两种模式都测。如果她 以错误的模式进行测量，即使 她将位元依照测到的结果重传 给鲍伯，一定会有误差。 Alice 与Bob可以选择性地比较一些 位元，并检查错误，来侦测是 否有窃听者。
v 当我们在测量量子态的某个性 质时，会使另一个性质受到扰 动。在量子密码系统里，如果 其中一个光子接触到了第三个 粒子，另一个光子也会立即改 变状态，即使它与第一个光子 “天各一方”。任何窃取者在 偷看光子束时都会更动到它， 而被发送者或接收者察觉。
当给定密钥K时，各符号之间有如下关系：
C = Ek(P),
对明文P加密后得到密文C
P = Dk(C) = Dk(Ek(P)),
对密文C解密后得明文P
如用E-1 表示E的逆，D-1表示D的逆，则有：
Ek = D-1k且Dk = E-1k
因此，加密设计主要是确定E，D，K，即加密算法、解密算法、密钥空间
欧洲空间局的光学地球站(OGS)，位于Tenerife岛的泰德观测台 在本次试验中负责接收量子加密代码
量子加密算法的介绍
❖ 一、基于经典密钥的量子加密算法（又称作 秘密量子信道, Private quantum channel, 简称PQC 〕
❖ 二、基于最子密钥的里子加密算法（使用 EPR纠缠态作为密钥的量子加密算法，
❖ “海森堡测不准原理”、 “单量子不可复制定理” 及“单个量子的不可完全擦除定理”保证了量子加 密系统的安全性。
量子加密传送过程
❖ 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）。 不管是哪一种模式，光子的不同指向分别代表0或1这两个数字。
❖ 光子对的状态改变程度是完全随机、不可预测的，理论上第三方粒子根本无 法在不截获量子密钥的情况下对加密信息进行解码，而对光子的检测行为同 样会改变光子对的状态，从而暴露窃密者。接受端对光子状态的改变自然是 合法的，窃密者则完全无法做到神不知鬼不觉。在此之前，人们并不知道在 相隔甚远的岛屿之间利用大气传输的纠缠光子对是否能互相影响，而研究的 成功让ESA确信，距离并不会影响量子加密传输的效果，用于卫星通信也不 存在问题。
加密系统的数学表达
❖ 一个加密系统S可以用数学符号描述如下： S={P, C, K, E, D}
其中
P——明文空间，表示全体可能出现的明文集合，
C——密文空间，表示全体可能出现的密文集合，
K——密钥空间，密钥是加密算法中的可变参数，
E——加密算法，由一些公式、法则或程序构成，
D——解密算法，它是E的逆。
量子加密系统
❖ 量子加密系统最基本的原理是“量子纠缠”，即利 用一个特殊的晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光 子，其粒子间即使相距遥远也是相互联结的，而此 对纠缠光子都有着各自不同的偏振方向，是无法确 定的，只有当光子被测量或受到干扰，它才有明确 的偏振方向，一但其中一个光子的方向被确定，那 么另一个光子就被确定为与之相关的偏振方向。
❖ 在经典密码体制中只有一次一密具有无条件安全性, 它要 求有与被加密数据相同长度的随机密钥。而如何产生足够 长的随机密钥一直是个难题, 所以一次一密并没有得到实 际应用。量子密码的出现将解决这个难题。
关于加密
❖ 所谓加密，就是把数据信息即明文转换为不可辨识的形式即 密文的过程，目的是使不应了解该数据信息的人不能够知道 和识别。将密文转变为明文的过程就是解密。加密和解密过 程形成加密系统，明文与密文统称为报文。任何加密系统， 不论形式如何复杂，实现的算法如何不同，但其基本组成部 分是相同的，通常都包括如下4个部分： (1) 需要加密的报文，也称为明文； (2) 加密以后形成的报文，也称为密文； (3) 加密、解密的装置或算法； (4) 用于加密和解密的钥匙，称为密钥。密钥可以是数字、 词汇或者语句。
v 但是这又衍生一个新的问题， 远距离传输时不被诸如空气等 因素干扰？
量子加密实现远距离传输
❖ 一群欧洲科学家最近在量子加密研究上取得新突破，利用光束让加密代码跨 越了90英里(145千米)宽的海洋。该成果已经发表在本月的学术杂志《自然物 理学》上。
❖ 试验是在非洲西北部的加那利群岛上进行的，其中光源位于La Palma岛，接 受端则位于Tenerife岛，二者相隔90英里。赞助这一研究的欧洲空间局(ESA) 称，试验的成功让ESA距离把量子纠缠作为“百分之百安全的卫星通信”更 近一步了。
❖ 量子纠缠是量子力学领域内的独特现象，是指无论两个粒子间相隔多远，一 个粒子的变化都会影响另一个粒子的行为，即它们是相互关联的。利用非线 性的自发参量下转换(SPDC)，甚至可以直接创造互相纠缠的光子对，进而用 于数据加密与传输。如果其中一个光子接触到了第三个粒子，另一个光子也 会立即改变状态，即使它与第一个光子“天各一方”。
❖ 随着网络技术的快速发展, 大量敏感信息需要通过网络传 输, 人们需要对自己的信息进行保护以免丢失或遭受攻击。
❖ 密码学为我们提供了有力的保证。用户用一个加密密钥对 自己的数据进行加密, 加密后的数据只能被相应的解密密 钥恢复, 非法用户则因为没有解密密钥而“ 看不到” 真实 数据。通信双方事先协商好密钥就可进行秘密通信。经典 密码体制相对于量子密码体制包括对称密码体制和公钥密 码体制, 其算法安全性主要是计算安全性。
❖ Alice以直线或对角随机模式送出光子，发射出一串位元。Bob也随机决定以两 种模式之一来量测射入的位元。只有当Bob与Alice选用相同的模式时，位元的 指向才能保证是正确的
❖ 在传送之后， Bob与Alice互相联络，这时不需要保密， Bob告诉Alice是用哪 种模式接收个别光子。不过他并没有说明各个光子的位元是0或1。接着Alice告 诉Bob他哪些模式的测量方式是正确的。他们会删除没有以正确模式观测的光 子，而以正确模式所观测出来的光子便成为密钥，用来 由于“海森堡测不准原理” ， 她无法两种模式都测。如果她 以错误的模式进行测量，即使 她将位元依照测到的结果重传 给鲍伯，一定会有误差。 Alice 与Bob可以选择性地比较一些 位元，并检查错误，来侦测是 否有窃听者。
v 当我们在测量量子态的某个性 质时，会使另一个性质受到扰 动。在量子密码系统里，如果 其中一个光子接触到了第三个 粒子，另一个光子也会立即改 变状态，即使它与第一个光子 “天各一方”。任何窃取者在 偷看光子束时都会更动到它， 而被发送者或接收者察觉。
当给定密钥K时，各符号之间有如下关系：
C = Ek(P),
对明文P加密后得到密文C
P = Dk(C) = Dk(Ek(P)),
对密文C解密后得明文P
如用E-1 表示E的逆，D-1表示D的逆，则有：
Ek = D-1k且Dk = E-1k
因此，加密设计主要是确定E，D，K，即加密算法、解密算法、密钥空间
欧洲空间局的光学地球站(OGS)，位于Tenerife岛的泰德观测台 在本次试验中负责接收量子加密代码
量子加密算法的介绍
❖ 一、基于经典密钥的量子加密算法（又称作 秘密量子信道, Private quantum channel, 简称PQC 〕
❖ 二、基于最子密钥的里子加密算法（使用 EPR纠缠态作为密钥的量子加密算法，