关于网络安全技术中的量子密码通信分析

孙 刚

（海军参谋部，北京 100841）

在现有的密码体系中，维那姆提出了一种一次性密码具备无条件的安全性的密码体系。他提出的要求是秘钥是随机的，而且秘钥的长度至少要和被加密的数据所具备的长度是相同的，但是因为他的某一些缺陷在现实的应用中无法得到真正的实现。但是，量子平行计算概念被提出以后，计算所需要的时间被极大的减少了，从另一个角度说，量子计算机如果被发明出来，传统的密码学可能受到量子力学带来的沉重打击，相反，我们也可以利用量子力学创建一套更加安全的密码体系。

1 研究的历史和现状

美国的科学家维斯纳是最早想到把量子力学应用于密码学的，他在1970年就提过使用单量子态来制造出一种不能够被伪造的“电子钞票”。不过这样的设想如果想要实现有一定的难度，因为这首先需要长时间的保存单量子态，所以这在当时没有受到人们的重视，所以直到1983年这个观点被发表出来。而贝内特与布拉萨德两个人是很早认识到维斯纳提出的建议的重要人物。他们通过研究发现，单量子态虽然是不容易被保存的，但是是能够被用于信息的传输的。所以在1984年他们共同提出了首个量子秘钥的分配方法，这个方法被称为BB84方案，因此量子密码迎来了广泛研究的新的时代。然后，在5年后，他们才在实验室里完成了首次的量子传输实验，他们成功地把一些光子在距离32厘米距离的两台计算机之间进行传输，这是早的量子秘钥传输实验。1992年，贝内特通过反复的研究提出了更简单的B92方案。从这以后，各个国家的科研人员快速地投入到相关的量子秘钥研究中来了，这使得量子密码技术的实验得到了快速的发展。

量子密码的研究非常顺利，虽然该领域还有很多的问题需要其解决，但是量子秘钥的分发已经逐渐趋于现实。因为通信内容保密的重要性，量子密码技术最早应用在军事和政府文件的保密工作上，并且其商业应用正在起步中。自2003年以来，瑞士id Quantique公司和美国MagiQ公司都发布了能够传输量子秘钥的产品。2004年6月3日，世界上第一个量子密码通信网络在美国投入运行。这个通信系统能够连接6个网络的节点。在2004年的秋天，日内瓦的网络供应商展示了一个网络，该网络可以把多个服务器的一些数据备份到10公里以外站台，这个网络是由量子进行加密的。中国也在最近几年展开了量子通信的保密研究。

在光纤传输的过程中，光子非常容易被消耗，所以在当前量子密码传输距离只能限制在很短的距离内。所以这个阻碍一旦被突破，量子密码就能够迎来快速的发展。2007年4月3日，中国科学家在北京测试成功首个国际量子密码通信网络，这也是到目前为止，全球中唯一无中转且任意互通的量子通信网络，这标志着量子的通信技术向网络化发展迈出的关键一步。

量子密码技术在近年以来成为国际学术界里面的一个热门的前沿的研究，这种研究针对未来具备超级计算能力的量子超级计算机，而现行的基于解自然对数和因子分解的一种加密的系统可能变得不够安全，但是量子密码术却能拥有够经典的密码学而不能达到的两个目的：一个是合法通信双方能够觉察到潜在的窃听者然后采用相关的措施；二是不管是想要破坏信息的破解者拥有多么强大的能力，都可以让窃听者没有办法破解量子密码。这可以说，量子密码技术是保障将来网络通信安全一项重要的技术。

2 量子密码的通信工作原理分析

量子通信技术是通信领域的一个重要的分支，他把量子态用作信息单元从而实现信息的有效传递，这是一种依靠基本的量子力学的通信技术，他是一种理论上的能够证明是非常安全的通信保密技术。这种通信技术能够在常规光纤通信线路上使用，这种应用是量子力学保密技术从理论进入到应用科学的一个明显的标志。依据传送类型的不同可以分成两类：传送经典信息和传送量子信息，经典信息包括量子身份证、量子密码和量子比特承诺，量子信息包括量子的隐形传态和量子通信网路。量子密码学科是量子力学结合量子密码学的产物，所以这种信息的加密方法是使用量子状态进行的，所以量子的一些比较特殊的性质是能够保证量子密码技术安全的基础条件。

一个量子物质传递的过程，他和光在光纤里面传送基本是一样的，此时如果一个偷听的人想要在一个地方进行偷听的行为，亦或者是想要将偷听的信息复制下来，这个行为就好像是测量行为，所以这种测量的行为给量子体系造成的结果是对整个系统产生了破坏，因此结果就是一些被测量的信息消失不见，因此，在理论上来讲，这是一种最安全的密码。

3 量子通信原理

一个量子的系统包含许多例子，这些粒子是按照量子力学运动规律进行运动的，量子信息的处理研究方法把通过量子态作为信息承载体的技术理论和信息理论的。量子系统和经典系统的最大分别是多个不同的状态的叠加。把量子态作为表示信息的载体是现代量子信息的主要起点，相关的一些信息有关的所有问题一定要采用量子力学的理论来处理，这些信息的传输需要遵循薛定谔的方程规则，信息传送方式为量子态在量子的通道中传送，信息的处理是量子态中的幺正变化，信息的获取其实是对量子态所实行的量子测量，这实际上是量子叠加原理。

量子通信除了能够将经典信息里面的一些概念推广以外，还将特有的量子纠缠理论放入从而创造了量子的隐形传态，这是经典的通信中一个不可思议的奇迹。1993年，Bennet等来自4个国家6位科学家把原来未知的量子态信息进行分类：量子信息、经典信息，两个部分由量子信道传输给接收者、经典信道传输给接收者，而经典的信息则是由发送者将原物的信息进行测量而获取的，而量子信息则是由发送者实际测量信息没有提取的其他一部分信息。接收者可以在对信息获取后恢复原来的信息。

现行的经典密码的通信是基于经典的信道安全与数学上的一些NP问题，他的安全性在一定意义上是相对的。特别是量子计算机的快速兴起，这对经典的密码通讯造成了很大的冲击。在1994年，Shor提出了可以在量子计算机里能够实现的算法，把大素数由NP问题想P问题进行转化的因式分解。所以，人们迫切想要找到一个安全性能高的新密码通信系统，这就是量子密码的通信系统。量子密码的通信实际上就是一个密钥分发的过程，他的安全性主要是依赖量子力学里面的不确定原理、量子的不可复制定理与量子的性质不可分割性，所以这信息窃听者的任何操作都会把量子态破坏而被发现。与此同时，在密码通信里面使用的密钥本身就是一次性的便笺密钥。这种密钥的加密密码在目前的数学上是被证明不可以破解的，这也是到目前为止为一个被证明不可破译的密码。

4 结束语

虽然如今的量子密码技术距离现实中商业化的应用有着一段的路程要走，这其中还需要去解决一直问题，但是随着量子密码体系的深入研究，将来会有更多的好的方案被提出，近年以来，不论是在理论上还是在实践中，量子密码技术都在一直地进步中，在不久的未来，随着单光子技术的探索，量子通信技术日常生活中的应用将会更加完善，量子密码已经成为了密码学领域里的一员，在将来，量子计算机的广泛使用，量子密码也会在网络通信的领域里取得更多的应用，我们也将迎来有一个新的量子信息时代。