对称密码学及其应用 第12章 量子密码学

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1、第十二章量子密码学量子计算机的原理量子计算机对密码学的影响量子密码学概述量子密码术理论基础海森堡测不准原理单量子不可复制定理BB84协议托马斯·杨和光的衍射实验单光子实验量子理论“重叠理论”“多元宇宙论”量子计算机的产生量子计算机的原理量子计算机与普通计算机的不同点1985年，英国物理学家戴维.多伊奇发表文章中，描述了它设想的量子计算机；量子计算机的威力题目：找到一个数，要求它的平方和立方一共用了0到9一次，而且只有一次。答案是69。如果计算机测试一个数字要用1秒，普通计算机则要69秒能够找到答案，而一台量子计算机只需1秒量子计算机对密码学的影响1994年，AT&T贝尔实验室的

2、比特.肖尔成功地勾勒出了可用的量子计算机程序的雏形。能质因数分解一个很大的数----这正是解开RSA密码所需要的。1996年，洛夫·格罗弗编写的程序能高速搜寻一个列表----这正是解开DES密码所需要的。既然量子计算机可以用来破译密码，那么它也可以用来建立更加安全的密码。量子密码学的提出1969年春，StephenWiesner首次提出“共轭编码”（Conjugatecoding）的概念；1984年，Bennett.CharlesH.,Brassard.Gille，提出BB84协议。BB84协议的基于两个量子状态的简化协议，称为B92协议。量子密码术理论基础海森堡测不准原理量子

3、力学的基本原理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。单量子不可克隆定理海森堡测不准原理的推论在不知道量子状态的情况下精确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。量子密码术理论基础（续）在量子密码技术中，各光量子的不同量子状态(如偏振)按照特定的概率分布分别代表1和0。当我们在测量量子态的某个性质时，会使另一个性质受到扰动。在量子密码系统里，任何窃取者在偷看光子束时都会更动到它，而被发送者或接收者察觉。原则上，这种技术可以做出无法破解的秘密钥匙。BB84协议BB84协议是用光量子来描述的。通过偏振滤光器

4、来发送和接受光量子而实现密钥分配的。BB84协议设A，B要通过光子脉冲来传递密钥，他们首先要约定编码方法，考虑四类偏振光子—，╱，

5、，╲，即偏振角为0o，45o，90o，135o的光量子，编码如下：符号Bit—，╱0

6、，╲1表9-1编码方法发现窃听行为的基本原理设想，如果A按照编码发送一个光子，B可以分别用四种偏振角的滤波器来测试，根据光子能够通过哪一个滤光器就可以确定光子的偏振角，从而得到A发送的信息。但是，测不准原理说明B不可能测量光子的两个量，偏振器的测量会改变光子的偏振角。如果A发送一个偏振态为‘—’的光子（信息0），B设置滤光器的偏振角为0o，那么B将测得一个光子，从

7、而得到信息0；如果B设置滤光器的偏振角为45o，则B只能得到一个随机值，且光子的偏振态也将改变。这时，即使B再改变滤光器的偏振角为0o，也不一定能得到信息0。无窃听量子信道的密钥分配过程协议分两个阶段：量子传输首先A随机地生成一个比特流，将要共享的密钥流在其中产生，这也是保密的。根据编码方法发送偏振光子脉冲。相应于比特0，可以发送偏振光子—，或╱，相应于比特1，可以发送偏振光子

8、，或╲。B设置其接收滤光器序列。由于B不知道A的设置，所以只能随机地设置，对于每一个位置，B设置正确的概率为1/4。B读取光子序列，并记录相应比特信息。无窃听量子信道的密钥分配过程（续）公开协商B公布其

9、滤光器序列的设置A对照自己的设置，指出B设置正确的位置。B选取正确位置的比特信息为了检验信道的窃听行为，B公布部分选定的比特，一般为1/3。A检查B公布的比特的正确性，如果没有窃听行为，这些比特应该是相同的。双方约定，用剩余的2/3比特作为共享密钥，这样就完成了一次秘密密钥共享过程。BB84的例子第一阶段：量子传输第二阶段：公开协商B公开其检测器的设置+×××++×++×A确定正确的设置√√√√√√√B确定正确比特流11010101B公布部分检验比特流10A检验√√最后A,B共享的比特流10110A生成随机比特流1100101101A按流发送的光子脉冲

10、╲—╱

11、—

12、

13、—

14、B随机

15、设置检测器+×××++×++×B检测的光子脉冲

16、╲？╱

17、—？

18、—？B读取比特流11？000？10？量子密码的最新进展（1）技术研究1989年，第一个量子密码实验，IBM和美国Montreal大学联合实验，在32厘米距离实现了随机比特串的安全传输。1993年，英国BT(BritishTelecom)实验室的PaulD.Townsed和ChristonpheMarand,等人在30公里的光纤信道上成功地实现了BB84密钥交换协议。1995年，Geneva大学的NicolasGisin与J.Bre