量子时代,信息安全的挑战与机遇

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1、量子计算时代，信息安全的挑战与机遇By***2010年7月（武汉大学国际软件学院2008级7班）摘要：量子计算技术的发展对我们来说既是机遇，又是挑战。计算机的实用化只是时间问题，我们必须提前做好准备工作。本文简单介绍了量子计算的基本原理，发展现状及实现方案，展现出了其诱人的前景。同时也指出了对我们当前信息安全的挑战，并且提出了两种应对方案，一是从密码的算法方面入手，二是发展被称为最可靠通信技术的量子密码。关键字：量子;计算机;信息安全;密码Abstract:Thedevelopingofquantumtechnologyisanop

2、portunityaswellaschallenge.Thecommonquantumcomputerisonthewayandwemustdothepreparationnow.Thispapergivesabriefintroductiontoboththebasictheoryofquantumcomputationandthepossiblesolutionsforimplementationofquantumcomputer,whichshowsthepromisingfutureofthisfield.Atthesame

3、time,wepointoutthechallengeswitchitbringstopresentinformationsystem.Therearetwosolutionsforthischallenge.Thefirstoneistodoresearchinalgorithmofcryptography.Anothersolutionistodevelopquantumcryptographywhichisdescribedasthemostreliablecommunicationtechnology.KeyWords:Qu

4、antum;Computer;InformationSafety;Cryptography一、引言从1946年人类第一台计算机ENIAC的，到今天计算机信息技术飞速的发展，计算机已经走过了六十多年的历程。六十年中计算机一直按“摩尔定律”的预言不断发生着惊人的变化，体积越来越小，运算速度越来越高，成本基本保持不变，当然计算机芯片的集成化程度越来越高。这种经典计算机本身存在着不可避免的致命弱点：一是计算过程能耗的最基本限制。逻辑元件或存储单元所需的最低能量应在kT的几倍以上，以避免在热涨落下的误动作；二是信息熵与发热能耗；三是计算机芯片

5、的布线密度很大时，根据海森堡不确定性关系，电子位置的不确定量很小时，动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚，会有量子干涉效应，这种效应甚至会破坏芯片的功能。因此现代计算机进一步缩小计算机的体积，提高运算速度已经极其困难。大多数观察家预期“摩尔定律”的神话将在21世纪的前20年内结束。然而量子学研究给计算机的未来探索出了一条新的出路——量子计算机。量子计算机利用粒子所具有的量子特性进行信息处理，能够用极少的数量表示大量的数据。量子计算很可能就是“摩尔定律”的终结者。目前，量子计算与量子信息技术已经取得了可喜的成就。量子计算时代的到来，

6、将对我们人类的生活产生极大的影响，在给我们带来了巨大机遇的同时，也对我们的当前的信息安全形成了严重的威胁，不断地挑战信息安全工作者的智慧。二、量子计算技术1.一些重要的基本原理量子计算之所以有杰出的表现，主要是有以下几个特点：（1）量子比特在量子力学中，我们可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位。与经典计算机相区别，我们称之为量子位(qubit)，经常用表示。在经典计算机中，每一个数据位要么是0，要么是1，二者必取其一。与经典计算机数据位不同的是，量子位可以是或者，也可以同时是和。也就是说，在量子计算中，数据位的存储内容可以

7、是0和1的迭加态：。其中的含义是在测量时得出结果的概率的相关量，。以上只是对单量子比特的介绍，还可以有多量子比特。以双量子比特为例，它有四个基：，一个双量子比特可以处于如下状态：其归一化条件为：。对于更多的量子比特，其基态可表示为：。由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充。n个量子位可以同时存储2n个数据，从而大大提高了存储能力。（2）量子比特门经典计算线路由连接线和门组成，量子线路也不例外。单量子比特门是一个（二阶）酉矩阵U，满足，作用在量子比特上，相当于将左乘上U，变换成。实际上，第一个酉矩阵U都对应着一个有效的量子门，即对

8、于量子门来说唯一的限制就酉性（unitary）。量子门的作用都是线性的。在量子线路中，受控非（CNOT）门是一个通用门，任意的多量子比特门都可以由CONT门和单量子比特门复合而成。（3）量子纠缠态现代物理学发展表明，量子纠缠态之间的关