量子加密技术发展研究

量子加密技术发展研究

摘要：密码技术是一门古老而又前沿的技术，密码最先应用于军事战场，目的是为了信息的传输更加保密，有时密码技术可以左右一场战争的胜利，这在二战中的体现尤为突出。而随着时代的发展密码技术不仅应用于军事，在在商业信息传输领域也获得了极大的应用价值。同时计算机的发展应用也为密码技术发展起了突出的作用。在19世纪初量子力学的产生，为当今密码技术提供了很好的理论基础，促使一门新学科量子加密的产生与发展。

关键词：经典加密技术；量子加密；量子加密的应用

1、经典的加密技术

经典密码通信可分作两大类，一是非对称密码系统，另一个是对称密码系统。经典的加密技术对人类社会的发展起过重大作用。非对称密码系统又称公开密钥系统，接收消息者先选择一组只有他自己知道的专用密钥，根据此专用密钥计算出相应的公开密钥，并将之公开传给准备向他发送消息的所有人。消息发送者（简称a）利用公开密钥将消息加密后发给接收者（简称b），只知道公开密钥的人很难从密文反推原来消息，只有b既知道公开密钥又知道专用密钥，才能将密文解码变成明文。主要特点是：公用密钥可以公开发放，无须安全的通道进行密钥交换，密钥少，管理容易。

对称密码系统又称专用密钥系统，a与b拥有相同的密钥。 a用该密码编码，b用该密码解码，即使二者的密码不同，也能够由其中的一个很容易地推导出另一个。因此，在这种密码系统中，有加

密能力就意味着有解密能力。对称密码算法的优点是计算开销小，加密速度快，可以达到高的保密强度，是目前用于信息加密的主要算法。[1]

二战期间，传统的加密技术发挥了巨大的作用。英国人成功破译德军”恩尼格码”密码，只限丘吉尔和少数几个高级将领知悉这一”超级机密”，并采取隐蔽来源、封锁消息等措施。狂妄的德国人对此竟然一无所知，一直保持着无以名状的自信。德军的各种指挥文电、作战勤务等加密信息，随无线电波弥漫天际，当然也源源不断地”飘进”盟军指挥所。这场密码战的成败告诫我们：保密要”知己知彼”，才有效益可言。”知己”就要突出重点，积极防范，实时”反省”秘密安全状态，采取有效应对措施严防死守；”知彼”就要及时准确掌握敌人窃密能力和动向，调整策略，主动出击，敌变我变，先敌一步，高敌一筹。不管如何传统密码的确在一定程度影响了战争的进程，改变了历史的轨迹。但是传统的加密技术仍然有被破解可能性，随着时代的发展好似传统密码技术已经发展到极限，但物理科学的发展改变了这种说法。19世纪初发展起的量子力学本是为解释微观世界而确立的物理原理，但是量子力学却在各个方面发挥出不可估量的作用，其中对量子力学本质提出挑战的epr佯缪，成为了量子信息技术的发展开始。量子加密技术就是在量子信息的基础之上。连爱因斯坦自己恐怕也不会想到，自己当时了挑战量子力学本质的一篇文章，其中却蕴藏着如此深厚的价值，以至于量子信息在今后掀起了巨大的研究兴趣，不仅是物理学

家涉足这一领域，而且还有计算机学家，数学家等各个领域的大师。部分成果已近脱离实验室，进入了全面应用地步。人类即将进入真正的量子信息时代。

2、量子加密技术

量子加密采用的原理：根据”海森堡测不准定理”和”单量子不可复制定理”原理建立了量子密码术的概念。”海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。”单量子不可复制定理”是”海森堡测不准原理”的推论，它指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态，所以说量子加密是最安全的。

量子技术在密码学上的应用分为两类：一是利用量子计算机对传统密码体制的分析;二是利用单光子的测不准原理在光纤一级实现密钥管理和信息加密，即量子密码学。根据internet的发展，全光网络将是今后网络连接的发展方向，利用量子技术可以实现传统的密码体制，在光纤一级完成密钥交换和信息加密，其安全性是建立在heisenberg的测不准原理上的，如果攻击者企图接收并检测信息发送方的信息(偏振)，则将造成量子状态的改变，这种改变对攻击者而言是不可恢复的，而对收发方则可很容易地检测出信息是否受到攻击。

经过30多年的研究与发展，逐渐形成了比较系统的量子密码理

论体系。其主要涉及量子密钥分配、量子密码算法、量子密钥共享、量子密钥存储、量子密码安全协议、量子身份认证等方面。

3、量子加密的优势及缺陷

为什么量子加密比普通的电子邮件或无线电优越呢？因为这种

方式从理论上不可被破坏或拦截。假如激光束里的量子被第三方观察到，粒子自身就会改变，这就是物理学上所谓的”海森堡不确定理论”，这种状态依赖粒子的改变来衡量。如果遭到拦截，发送者和接受者都能立刻觉察到有人在窥探。[2]

这种技术也存在着缺陷：目前量子加密技术仍然处于研究阶段，其量子密钥分配在光纤上的有效距离还达不到远距离光纤通信的

要求。光的偏振特性在长距离的光纤传输中会逐渐退化，造成的误码率增加。现在解决的办法是基于量子纠缠和epr效应的。目前最主流的实验方案是用光子的相位特性进行编码。研究上进展最快的是英国、瑞士和美国。当然中国也世界上研究量子信息最好的几个国家之一。

4、当前的研究进展

当前量子信息的研究中心正是中科大，中科大潘建伟教授，郭光灿教授领导的科研团队，极大地领先与世界其他国家，在science 等知名杂志上发表过重要文章，同时量子加密在中国军事上也获得极大应用。

2005年，中科院郭光灿院士领导的课题小组，实现了150公里的室内量子密钥分配，利用网通公司的实际通信光缆，实现了从北京

经河北香河到天津的量子密钥分配，实际光缆长度为125公里，系统的长期误差率低于6%，这是国际上公开的最长距离的实用光纤量子密码系统。[3]

据美国《时代周刊》报道称，中国科学家在量子通信研究上再创世界纪录：由中国科学技术大学和清华大学组成的联合小组，成功实现了16公里的量子态隐形传输，这一距离是目前世界最远距离的20多倍。应用该项高科技，中国军方能瞬间传送军事信息而不被破坏或拦截。

参考文献：

[1]陈鲁生,沈世镒．现代密码学.北京：科学出版社,2002年

[2]黄凯瑄.浅析信息加密技术与发展.《甘肃水利水电技术》2004年第40卷第3期

[3]马瑞霖编著.《量子密码通信》.科学出版社,2006年出版

作者简介：李林洋（1988-），男，山东潍坊人，山东大学物理学院2008级本科生，物理学专业；卢晓波（1990-），男，山东临沂人，山东大学物理学院2008级本科生，物理学专业；潘岳（1989-），男，山东济宁人，山东大学物理学院2008级本科生，物理学专业。