量子密碼技術(shù)論文

　　量子密碼與傳統(tǒng)的密碼系統(tǒng)不同，它依賴于物理學作為安全模式的關(guān)鍵方面而不是數(shù)學。下面是小編精心推薦的一些量子通信技術(shù)論文，希望你能有所感觸!

　　量子通信技術(shù)論文篇一

　　基于科學史視角的量子密碼

　　摘 要： 為了尋求一種無條件安全的密鑰系統(tǒng)，采用了科學史的研究方法，對人類歷史上產(chǎn)生過巨大影響的密鑰思想進行了探究，調(diào)研了現(xiàn)在廣泛使用的密碼系統(tǒng)，特別是RSA密碼系統(tǒng)，并指出它的安全性受到量子計算能力的嚴重挑戰(zhàn)，在此基礎(chǔ)上探究一次一密與量子密鑰分發(fā)的結(jié)合能否實現(xiàn)無條件安全通信。

　　關(guān)鍵詞： RSA密碼系統(tǒng); 量子密碼 ; 一次一密; 量子密鑰分發(fā)

　　中圖分類號： TN918?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X(2013)21?0083?03

　　0 引 言

　　保密通信在人類社會中有著重要的地位，關(guān)系到國家的軍事、國防、外交等領(lǐng)域，同時也與人們的日常生活息息相關(guān)，如銀行帳戶存取、網(wǎng)絡(luò)郵箱管理等。保密通信關(guān)鍵在于密碼協(xié)議，簡稱“密鑰”。密鑰的安全性關(guān)系到通信的保密性。密碼學的發(fā)展也正是在加密者高明的加密方案和解密者詭異的解密技術(shù)的相互博弈中發(fā)展前行的，兩者互為勁敵，但又互相促進。隨著量子計算機理論的發(fā)展，傳統(tǒng)的安全通信系統(tǒng)從原理上講已不再安全。那么，是否存在一種無條件安全的通信呢?量子密碼又將給信息的安全傳輸帶來怎樣的新思路呢?本文從科學史的角度分析人類傳統(tǒng)的密碼方案，考察量子密碼發(fā)展的來龍去脈，為科學家提供關(guān)于量子密碼的宏觀視角，以便更好地推進關(guān)于量子密碼的各項科學研究。

　　1 人類歷史上影響巨大的密鑰思想

　　密碼學有著古老歷史，在近代逐漸發(fā)展成為一門系統(tǒng)的應(yīng)用科學。密碼是一個涉及互相不信任的兩方或多方的通信或計算問題。在密碼學中，要傳送的以通用語言明確表達的文字內(nèi)容稱為明文，由明文經(jīng)變換而形成的用于密碼通信的那一串符號稱為密文，把明文按約定的變換規(guī)則變換為密文的過程稱為加密，收信者用約定的變換規(guī)則把密文恢復為明文的過程稱為解密。敵方主要圍繞所截獲密文進行分析以找出密碼變換規(guī)則的過程，稱為破譯。密碼協(xié)議大致可以分為兩類：私鑰密碼系統(tǒng)(Private Key Cryptosystem)和公鑰密碼系統(tǒng)(Public Key Cryposystem)。

　　1.1 我國古代的一種典型密鑰——陰符

　　陰符是一種秘密的兵符，在戰(zhàn)爭中起到了非常重要的作用。據(jù)《六韜·龍韜·陰符》記載，陰符是利用不同的長度來代表不同的信息，一共分為八種。如一尺的兵符代表“我軍大獲全勝、全殲敵軍”;五寸的兵符代表“請求補給糧草、增加兵力”;三寸的兵符代表“戰(zhàn)斗失利，士卒傷亡”。

　　從現(xiàn)在的密碼學觀點來看，這是一種“私鑰”，私鑰密碼系統(tǒng)的工作原理簡言之就是：通信雙方享有同一個他人不知道的私鑰，加密和解密的具體方式依賴于他們共同享有的密鑰。這八種陰符，由君主和將帥秘密掌握，是一種用來暗中傳遞消息，而不泄露朝廷和戰(zhàn)場機密的通信手段。即便是陰符被敵軍截去，也無法識破它的奧秘。由于分配密鑰的過程有可能被竊聽，它的保密性是由軍令來保證的。

　　1.2 古斯巴達人使用的“天書”

　　古斯巴達人使用的“sc仔tale”密碼，譯為“天書”。天書的保密性在于只有把密文纏繞在一定直徑的圓柱體上才能呈現(xiàn)明文所要表達的意思，否則就是一堆亂碼。不得不感嘆古代人的智慧。圖1為“天書”的示意圖，它也是一種“私鑰”，信息的發(fā)送方在發(fā)布信息時將細長的紙條纏繞在某一直徑的圓柱體上書寫，寫好后從圓柱體上拿下來便是密文。但是，它的保密性也非常的有限，只要找到對應(yīng)直徑的圓柱體便很容易破譯原文。

　　1.3 著名的“凱撒密表”

　　凱撒密表是早在公元前1世紀由凱撒大帝(Caesar)親自設(shè)計用于傳遞軍事文件的秘密通信工具，當凱撒密碼被用于高盧戰(zhàn)爭時，起到了非常重要的作用。圖2為“凱撒密表”。從現(xiàn)代密碼學的角度看，它的密鑰思想非常簡單，加密時，每個字母用其后的第[n]個字母表示，解密的過程只需把密文字母前移[n]位即可。破譯者最多只要嘗試26次便可破譯原文。

　　1.4 德國密碼機——“恩尼格瑪”

　　二戰(zhàn)期間德國用來傳遞軍事機密的“ENIGMA”密碼機，它的思想基本類似于“凱撒密表”，但比“凱撒密表”復雜很多倍，它的結(jié)構(gòu)主要分為三部分：鍵盤、密鑰輪和顯示燈盤。鍵盤可以用于輸入明文，顯示燈盤用于輸出密文，密鑰輪是其核心部分，通常由3個橡膠或膠木制成的直徑為6 cm的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，密鑰輪可以任意轉(zhuǎn)動進行編制密碼，能夠編制出各種各樣保密性相當強的密碼。它的神奇之處在于它不是一種簡單的字母替換，同一個字母在明文的不同位置時，可以被不同的字母替換。而密文中不同位置的同一個字母，可以代表明文中不同的字母。所以它的安全性較高，但也并非萬無一失，由于德國人太迷戀自己的“ENIGMA”密碼機，久久不愿更換密鑰，所以免不了被破譯的結(jié)局。

　　2 目前人類廣泛使用的密鑰及其存在的問題

　　2.1 現(xiàn)代廣泛使用的密碼系統(tǒng)——RSA密碼系統(tǒng)受到前所未有的挑戰(zhàn)

　　現(xiàn)代廣泛被用于電子銀行、網(wǎng)絡(luò)等民用事業(yè)的RSA密碼系統(tǒng)是一種非對稱密鑰。早在20世紀60年代末70年代初，英國情報機構(gòu)(GCHQ)的研究人員早已研制成功。相隔十年左右，Ronald Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman才研制出類似的密碼系統(tǒng)，并以三個人的名字命名為“RSA”。它是一種公鑰密碼系統(tǒng)，工作原理如下：假設(shè)通信雙方分別為Bob和Alice。Bob公布一個公鑰，Alice用這個公鑰加密消息傳遞給 Bob，然而，第三方不可能用Bob的公鑰解密。原因在于加密變換巧妙，逆向解密困難。而Bob有與公鑰配對的私鑰。

　　RSA公鑰密碼系統(tǒng)巧妙地運用了分解因數(shù)和解離散對數(shù)這類難題，它的安全性依賴于計算的復雜性。雖然原理上可以計算出，但是計算出來也需要幾萬年的時間。然而，隨著量子計算機理論的成熟，RSA密碼體受到嚴重挑戰(zhàn)，隨著計算時間的縮短，RSA密碼系統(tǒng)的安全性令人堪憂，RSA密碼系統(tǒng)有可能隨著量子時代的到來被人類完全拋棄。 　　2.2 “一次一密”的最大的問題是密鑰分配

　　RSA密碼系統(tǒng)受到嚴重挑戰(zhàn)后，一次一密(One time Padding)的不可破譯性又被人們所記起。一次一密指在密碼當中使用與消息長度等長的隨機密鑰， 密鑰本身只使用一次。原理如下：首先選擇一個隨機位串作為密鑰，然后將明文轉(zhuǎn)變成一個位串，比如使用明文的ASCII表示法。最后，逐位計算這兩個位串的異或值，結(jié)果得到的密文不可能被破解，因為即使有了足夠數(shù)量的密文樣本，每個字符的出現(xiàn)概率都是相等的，每任意個字母組合出現(xiàn)的概率也是相等的。香農(nóng)在1949年證明一次一密具有完善的保密性[1]。然而，一次一密需要很長的密碼本，并且需要經(jīng)常更換，它的漏洞在于密鑰在傳遞和分發(fā)上存在很大困難?？茖W家試圖使用公鑰交換算法如RSA[2]，DES[3]等方式進行密鑰交換， 但都使得一次一密的安全性降低。因此，經(jīng)典保密通信系統(tǒng)最大的問題是密鑰分配。

　　3 量子密碼結(jié)合“一次一密”實現(xiàn)無條件保密

　　通信

　　量子密碼學是量子力學和密碼學結(jié)合的產(chǎn)物，簡言之，就是利用信息載體的量子特性，以量子態(tài)作為符號描述的密碼。

　　3.1 運用科學史的視角探究量子密碼的發(fā)展過程

　　量子密碼概念是由Stephen Wiesner在20世紀60年代后期首次提出的[4]。

　　第一個量子密碼術(shù)方案的提出是在1984年，Charles Bennett， Gills Brassard提出一種無竊聽的保密協(xié)議，即，BB84方案[5]，時隔5年后有了實驗原型[6]。隨后，各類量子密碼術(shù)相繼出現(xiàn)，如簡單效率減半方案——B92方案[7] 。

　　1994年后，RSA密碼系統(tǒng)面臨前所未有的威脅，因為，經(jīng)典保密通信依賴于計算的復雜性，然而，Peter Shor 提出尋找整數(shù)的質(zhì)因子問題和所謂離散對數(shù)的問題可以用量子計算機有效解決[8]。1995年，Lov Gover 證明在沒有結(jié)構(gòu)的搜索空間上搜索問題在量子計算機上可以被加速，論證了量子計算機的強大的能力[9]。Peter Shor和 Lov Gover量子算法的提出，一方面證明了量子計算的驚人能力，另一方面，由于經(jīng)典密碼系統(tǒng)受到嚴重威脅，促使各國將研究重點轉(zhuǎn)向量子密碼學。

　　3.2 量子密碼解決“一次一密”的密鑰分配難題

　　一次一密具有完善的保密性，只是密鑰分配是個難題。

　　量子密鑰在傳輸過程中，如果有竊聽者存在，他必然要復制或測量量子態(tài)。然而，測不準原理和量子不可克隆定理指出，一個未知的量子態(tài)不能被完全拷貝，由某一個確定的算符去測量量子系統(tǒng)，可能會導致不完備的測量，從而得不到量子態(tài)的全部信息。另外，測量塌縮理論指出測量必然導致態(tài)的改變，從而被發(fā)現(xiàn)，通信雙方可以放棄原來的密鑰，重新建立密鑰，實現(xiàn)絕對無竊聽保密通信。量子密碼的安全性不是靠計算的復雜性來保障，而是源于它的物理特性。

　　這樣就保證了密鑰可以被安全分發(fā)，竊聽行為可以被檢測。因此，使用量子密鑰分配分發(fā)的安全密鑰，結(jié)合“一次一密”的加密方法，可以實現(xiàn)絕對安全的保密通信。

　　4 結(jié) 語

　　與經(jīng)典密碼系統(tǒng)相比較，量子密碼不會受到計算速度提高的威脅，并且可以檢測到竊聽者的存在，在提出近30年的時間里，逐漸從理論轉(zhuǎn)化為實驗，有望為下一代保密通信提供保障，實現(xiàn)無條件安全的保密通信。

　　參考文獻

　　[1] SHANNON C E. Communication theory of secrecy systems [J]. Bell System Technical Journal， 1949， 28(4)： 656?715，

　　[2] 張蓓，孫世良.基于RSA的一次一密加密技術(shù)[J].計算機安全，2009(3)：53?55.

　　[3] 王偉，郭錫泉.一次一密DES算法的設(shè)計[J].計算機安全，2006(5)：17?18.

　　[4] WIESNER S. Unpublished manuscript circa 1969： conjugate coding [J]. ACM Sigact New， 1983， 15： 77?79.

　　[5] BENNETT C H， BRASSARD G. Quantum cryptography： public key distribution and coin tossing [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Computers， Systems and Signal Processing. Bangalore， India： IEEE， 1984： 175?179.

　　[6] BENNETT C H. BRASSARD G. Experimental quantum cryptography： the dawn of a new era for quantum cryptography： the experimental prototype is working [J]. ACM Sigact News ， 1989， 20： 78?80.

　　[7] BENNETT C H， BESSETTE F， BRASSARD G， et al. Experimental quantum cryptography [J]. Journal of Cryptology， 1992(5)： 3?21.

　　[8] SHOR P W. Algorithms for quantum computation： discrete logarithms and factoring [C]// Proceedings of the 35th Annual Symposium on the Foundations of Computer Science. Los Alamitos， CA： IEEE Computer Society Press， 1994： 124?133.

　　[9] GROVER L K. Quantum mechanics helps in searching for a needle in a haystack [J]. Phys Rev Letters， 1997， 79(2)： 325?328.

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