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論文，希望你能有所感觸!

　　量子通信技術論文篇一

　　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)，在此基礎上探究一次一密與量子密鑰分發(fā)的結合能否實現(xiàn)無條件安全通信。

　　關鍵詞： 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，關系到國家的軍事、國防、外交等領域，同時也與人們的日常生活息息相關，如銀行帳戶存取、網(wǎng)絡郵箱管理等。保密通信關鍵在于密碼協(xié)議，簡稱“密鑰”。密鑰的安全性關系到通信的保密性。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，為科學家提供關于量子密碼的宏觀視角，以便更好地推進關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，它的結構主要分為三部分：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(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 證明在沒有結構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 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[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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