量子加密都不懂，還說(shuō)你是通信人？

時(shí)間：2021-09-06 15:23:43

關(guān)鍵字：加密通信量子

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[導(dǎo)讀]在我們網(wǎng)上轉(zhuǎn)賬、網(wǎng)購(gòu)血拼時(shí)候，有想過(guò)自己的信息是否安全嗎？擔(dān)不擔(dān)心突然有一天，有人破解了你的銀行卡密碼，讓你的錢不翼而飛~所以為了時(shí)刻保證我們的信息安全，所有的信息加密算法都在不停的升級(jí)。首先，我們介紹一下傳統(tǒng)通信是怎么實(shí)現(xiàn)信息加密的：傳統(tǒng)通信加密過(guò)程如下：傳統(tǒng)通信加密過(guò)程1、發(fā)...

在我們網(wǎng)上轉(zhuǎn)賬、網(wǎng)購(gòu)血拼時(shí)候，有想過(guò)自己的信息是否安全嗎？擔(dān)不擔(dān)心突然有一天，有人破解了你的銀行卡密碼，讓你的錢不翼而飛~

所以為了時(shí)刻保證我們的信息安全，所有的信息加密算法都在不停的升級(jí)。

首先，我們介紹一下傳統(tǒng)通信是怎么實(shí)現(xiàn)信息加密的：

傳統(tǒng)通信加密過(guò)程如下：

傳統(tǒng)通信加密過(guò)程

1、發(fā)送方寫好明文，并通過(guò)加密算法和密鑰將明文編制成密文。

2、密文被傳送到接收方。

3、接收方通過(guò)解密算法和密鑰，把密文翻譯還原成明文。

由此可見(jiàn)，在加密通信過(guò)程中，“密鑰”是非常重要的。

以目前在保護(hù)我們“電子錢包”的RSA密鑰為例，要想破解RSA加密的秘鑰，就要用很暴力的方法將一個(gè)超級(jí)大的數(shù)字（比如有1024位）分解成兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積，用我國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“太湖之光”也要破解幾十年。

看到這里是不是覺(jué)得“高枕無(wú)憂”了呢？不要掉以輕心！量子計(jì)算的時(shí)代已經(jīng)拉開序幕，運(yùn)用量子計(jì)算機(jī)，別說(shuō)1024位的密鑰了，破解2048位的密鑰就只需要幾秒鐘！

當(dāng)計(jì)算不再是問(wèn)題，信息安全就成了問(wèn)題。

如果說(shuō)量子計(jì)算機(jī)將是刺穿現(xiàn)有加密系統(tǒng)的“矛”，那么以后我們要怎么保護(hù)我們的錢包和羞于見(jiàn)人的小秘密呢？難道就只能聽之任之嗎？

當(dāng)然不是！能夠打敗魔法的只有魔法，量子加密就是量子計(jì)算機(jī)也不可擊破的安全之“盾”。它是一種不可竊聽、不可破譯，是一種無(wú)條件安全的通信加密方式。

那么接下來(lái)，小編帶著大家一起走近它吧！

量子是個(gè)啥？

為了不把大家嚇跑，我們可以這樣簡(jiǎn)單理解，量子是物理界最小的不可再分的基本單位，比如光的最小單位就是光子即“光量子”，就是一種量子。

量子加密與傳統(tǒng)加密有什么區(qū)別？

剛才我們提到了傳統(tǒng)通信中“密鑰”的重要作用，量子加密的優(yōu)勢(shì)就在于它的終極秘寶“量子密鑰”！

量子密鑰跟目前的普通密鑰相比，更加安全、可靠、不可破譯。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)量子加密通信分兩步。

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量子通信加密過(guò)程

1、通過(guò)量子信道進(jìn)行量子密鑰分發(fā)。量子衛(wèi)星發(fā)送一對(duì)完全隨機(jī)且只有通信雙方知道的量子密鑰，在這一步中，只產(chǎn)生和分發(fā)密鑰。

2、通過(guò)傳統(tǒng)信道進(jìn)行密文傳遞。利用獲得的量子密鑰，發(fā)送方把信息進(jìn)行加密變成一段密文，接收方將收到的密文解密，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信的完全保密。

??????????????????????????????????“量子密鑰”如此靠譜？為啥嘞？

真的如此靠譜！如此靠譜正是依靠量子的隨機(jī)性和不可復(fù)制性。

隨機(jī)性

在量子密鑰分發(fā)過(guò)程中，量子衛(wèi)星隨機(jī)發(fā)送不同偏振狀態(tài)的成對(duì)光子（也可稱為光量子，是一種量子）。

為測(cè)量量子衛(wèi)星發(fā)送的光子狀態(tài)，作為接收端的通信雙方就要設(shè)置測(cè)量基，對(duì)于每一個(gè)發(fā)來(lái)的隨機(jī)偏振狀態(tài)的光子，接收端都要隨機(jī)擺放一次測(cè)量基來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)測(cè)量基每收到一個(gè)光子，就要根據(jù)以下條件，來(lái)判斷接收到的信息是1還是0。

量子衛(wèi)星發(fā)來(lái)的光子偏振狀態(tài)
接收端測(cè)量基的擺放狀態(tài)

那么，衛(wèi)星發(fā)送的光子偏振分為幾種狀態(tài)？

接收端的測(cè)量基又分為幾種狀態(tài)？

又是如何判斷接收到的信號(hào)是0還是1的呢？

發(fā)送端發(fā)送光子的偏振狀態(tài)有四種：90°偏振、0°偏振、45°偏振、135°偏振。

發(fā)送端-光子偏振狀態(tài)
0°偏振	90°偏振	45°偏振	135°偏振

接收端的測(cè)量基的狀態(tài)有兩種：正放、斜放。

接收端-測(cè)量基狀態(tài)
正放	斜放

通過(guò)上圖，可以看出：

0°偏振和90°偏振的光子只能被正放的測(cè)量基識(shí)別，如果遇到斜放的測(cè)量基，光子就不能被識(shí)別。
45°偏振和135°偏振的光子只能被斜放的測(cè)量基識(shí)別，如果遇到正放的測(cè)量基，光子就不能被識(shí)別。

那不能被識(shí)別咋辦呢？只能“認(rèn)倒霉”，并依靠量子的“神奇”特性—隨機(jī)性進(jìn)行隨機(jī)分配了。

對(duì)于不能識(shí)別的偏振光子，會(huì)隨機(jī)分配哪個(gè)代表0哪個(gè)代表1，這也恰恰為量子密鑰超強(qiáng)保密性的“最強(qiáng)殺招”。

發(fā)送端	接收端
光子偏振狀態(tài)	測(cè)量基狀態(tài) （正放）	測(cè)量基狀態(tài) （斜放）
0°偏振	1	?0 or 1?
90°偏振	0	?0 or 1?
45°的偏振	? 0 or 1?	1
135°的偏振	? 0 or 1?	0

舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明：衛(wèi)星發(fā)送端隨機(jī)發(fā)送一系列不同偏振狀態(tài)的光子對(duì)，一組發(fā)送給A，一組發(fā)送給B。

為了便于理解，假設(shè)量子衛(wèi)星發(fā)送給A、B兩地的隨機(jī)糾纏量子對(duì)偏振方向均如下：

光子偏振

狀態(tài)

（衛(wèi)星）

???????????????????A、B接收端采用如下的隨機(jī)測(cè)量基進(jìn)行測(cè)量，可以分別得到：

測(cè)量基

狀態(tài)

（A端）

????????????????

0 or 1

測(cè)量基

狀態(tài)

（B端）

0 or 1?

最后，通信兩端的A和B用傳統(tǒng)的通信方式，比如打個(gè)電話或者發(fā)個(gè)微信，溝通交流一下測(cè)量基是怎么擺放的“是正著放還是斜著放”。

隨后A和B把相同測(cè)量基對(duì)應(yīng)的信息保留，這些保留的信息我們稱之為“量子密鑰”！

因此，上面例子中的“量子密鑰”就是“001”，如下圖所示。

最終

密鑰

在這個(gè)傳統(tǒng)通信過(guò)程中根本不用擔(dān)心竊聽，因?yàn)榫退愀`聽，也只能得到通信雙方測(cè)量基哪些相同哪些不同，但是這對(duì)于竊聽者根本“沒(méi)有用”，除非他能夠竊聽到量子衛(wèi)星發(fā)往通信雙方的量子信號(hào)。

可能有人想問(wèn)了，如果還是有厲害的人能夠竊聽到量子衛(wèi)星發(fā)往通信雙方的量子信號(hào)，咋辦？

答案是“絕對(duì)不可能！”這就不得不說(shuō)一下量子的另一重要特性了~

不可復(fù)制性

因?yàn)榱孔泳哂胁豢蓮?fù)制性，即不可在不破壞其狀態(tài)的情況下，被復(fù)制或測(cè)量到，因而竊聽會(huì)被立刻察覺(jué)。

值得注意的是在量子衛(wèi)星在密鑰分發(fā)時(shí)，密鑰中每對(duì)量子都處于“糾纏”狀態(tài)，如果其中一個(gè)量子的發(fā)生改變，那么另一個(gè)量子的狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)改變。

也就是說(shuō)，如果竊聽者想要截獲量子密鑰，那么就需要測(cè)量量子信道中的量子信號(hào)，根據(jù)“不可復(fù)制性”，量子信號(hào)在測(cè)量過(guò)程中就會(huì)改變信號(hào)本身。

進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致密鑰接收雙方收到的信號(hào)亂碼大增，從而暴露了自身竊聽的存在，可以說(shuō)是“偷雞不成蝕把米”。

另外，每串秘鑰都是隨機(jī)產(chǎn)生的，一旦被竊聽，通信雙方馬上可以察覺(jué)，馬上換密碼，因此就實(shí)現(xiàn)百分百加密啦~

“量子加密”哪家強(qiáng)？

小編驕傲的說(shuō)：只有我國(guó)才有世界領(lǐng)先的“秘密武器”——“墨子號(hào)”衛(wèi)星！墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，就是為了量子通信而研發(fā)。

目前量子通信已經(jīng)開始邁向?qū)嶋H應(yīng)用。

2017年9月29日，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通?！熬删€”傳輸距離達(dá)2000多公里，途徑北京上海等多個(gè)城市，主要承載重要信息的保密傳輸。

“京滬干線”建成后，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)兩年多的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用示范以及大量的穩(wěn)定性測(cè)試、安全性測(cè)試及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究。結(jié)果表明，“京滬干線”可以抵御目前所有已知的竊聽攻擊，網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬(wàn)以上的用戶同時(shí)使用。

“量子加密”啥時(shí)候才能普及？

雖然我國(guó)量子通信已經(jīng)投入應(yīng)用，但是要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的通信還有很多困難。比如：

量子信道傳輸仍有距離限制：遠(yuǎn)距離傳輸帶來(lái)的信號(hào)消耗—“信號(hào)傳著傳著就沒(méi)了......”。
量子通信衛(wèi)星的數(shù)量還很少：我國(guó)還需要發(fā)射更多的量子通信衛(wèi)星才能形成覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

目前我國(guó)科學(xué)家還在量子傳輸領(lǐng)域不斷突破，頻傳捷報(bào)。讓我們有理由相信讓量子通信走進(jìn)千家萬(wàn)戶，雖任重道遠(yuǎn)卻不是遙不可及。

PS：聽說(shuō)留下一個(gè)贊

神奇的“量子糾纏”能幫你找到最“心有靈犀”的那個(gè)他/她歐！

我們是一群平均從業(yè)年限5 的通信專業(yè)工程師。

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