Lectur讲义e15_量子密码学
量子加密系统.ppt
欧洲空间局的光学地球站(OGS)，位于Tenerife岛的泰德观测台 在本次试验中负责接收量子加密代码
量子加密算法的介绍
• 一、基于经典密钥的量子加密算法（又称 作秘密量子信道, Private quantum channel,简称PQC 〕 • 二、基于最子密钥的里子加密算法（使用 EPR纠缠态作为密钥的量子加密算法，
• 令人庆幸的是： • 一、它目前只能解出大约40%的信息量， 二、其实現在还是会被接收方发现、，除 非他们「刚好」在同一个房间用同一台机 器來测量。要能使这项技术达到实用的程 度，还需要一个完美的「非破坏性的Байду номын сангаас子 测量盒」，一个理论上可行但至今没有做 出来的东西。。。
• Heisenberg测不准关系表明,两个算符不对易 的力学量不可能同时确定。 • 对一量子系统的两个非对易的力学量进行测量,那 么测不准关系决定了它们的涨落不可能同时为零, 在一个量子态中, 如果一个力学量的取值完全确 定,那么与其不对易的力学量的取值就完全不能确 定。这样,对一个量子系统施行某种测量必然对系 统产生干扰,而且测量得到的只能是测量前系统状 态的不完整信息。因此任何对量子系统相干信道 的窃听,都会导致不可避免的干扰,从而马上被通 讯的合法用户所发现。
量子加密传送过程
• 以激光发出单一光子，光子会以两种模式中的其中一种偏振。光子的第一种 偏振方向是垂直或平行（直线模式）；第二种则是与垂直呈45度角（对角模 式）。不管是哪一种模式，光子的不同指向分别代表0或1这两个数字。 • Alice以直线或对角随机模式送出光子，发射出一串位元。Bob也随机决定 以两种模式之一来量测射入的位元。只有当Bob与Alice选用相同的模式时， 位元的指向才能保证是正确的 • 在传送之后， Bob与Alice互相联络，这时不需要保密， Bob告诉Alice是 用哪种模式接收个别光子。不过他并没有说明各个光子的位元是0或1。接着 Alice告诉Bob他哪些模式的测量方式是正确的。他们会删除没有以正确模 式观测的光子，而以正确模式所观测出来的光子便成为密钥，用来加密或解 密
量子密码学简介
参考文献
《量子密码学》，曾贵华，科学出版社 《宇宙密码——作为自然界语言的量子物理》，（美）帕 格尔斯著，郭竹第译，上海辞书出版社
问题1：
如何在不损坏原来量子比特的情况下判定一个 未知量子比特的精确值，或者精确区分两个或 多个非正交量子比特。 如何同时精确测量量子比特中两个或多个非共 轭量。
问题2：
பைடு நூலகம்
通过物理和数学方法已经证明，上述两个 问题的求解是不可能的。 在第一个问题的基础上产生了量子不可克 隆定理；在第二个问题的基础上产生了海 森堡(Heisenberg)测不准原理。 显然，从基本思想方面来看，量子密码和 数学密码是一致的，都可以被认为是通过 求解问题的困难性来实现对信息的保护的， 只是量子密码中对问题的求解是通过物理 方式实现的，且上面所列的两个基本问题 的求解是不可能的。
量子密码学简介
以数学为基础的当前广泛使用的密码系统 (本书称为数学密码)利用数学难题设计密码 协议和算法，利用求解数学难题的困难性 保障密码方案的安全性。与此类似，也可 认为量子密码算法和协议是利用求解问题 的困难性或者不可能性来保障方案的安全 性。不过，这些问题是物理问题而不是数 学问题，求解这些问题也必须通过物理方 式实现。 下面是量子密码中的两个基本问题。
流密码量子密码学讲课
测试手段包括16种
1. 频率检验 2. 块内频数检验 3. 游程检验 4. 块内最长游程检验 5. 二元矩阵秩检验
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网络与可信计算研究所
NTCI@SCU
随机数安全检测
6. 离散傅里叶变换检验 7. 非重叠模块匹配检验 8. 重叠模块匹配检验 9. Maurer的通用统计检验
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网络与可信计算研究所
NTCI@SCU
拟随机数生成器PRBG
一般以一个短的随机位串，称其为种子，经生成器拓展为一个很长的 拟随机位串，达到快而安全生成的目的 常见的PRBG
纯化随机性 线性反馈移位寄存器 非线性反馈移位寄存器 线性同余算法 ANSI X9.17算法 BBS 生成器
NTCI@SCU
线性同余算法-高次同余算法
二次同余：
xi+1 = (axi2 + bxi + c) mod m
三次同余：
xi+1 = (axi3 + bxi2 + cxi + d) mod m
高次同余：
xi+1 = (a0xin + a1xin-1,···，an-1xi，an) mod m
周期最大值为m，使用中通常将m取为能表示的最大整数-1，
且多为素数；
a, c, m 的选取是产生好随机数的关键 ； 使用中a, c, m通常被固定， 可被指定的为x0 ，一旦x0固定，所产生的随
机数也固定；
低安全特性：截获3个连续的x，就可以根据方程组求的a、m、c
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网络与可信计算研究所
量子密码的安全性分析
“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，它说明了观察者无法同时准确地测量待
量子密码学
量子密码学密码学(cryptography)简单的说就是通过某种方式只能将信息传递给特定的接受者。
实现的手段基本上就是对要传递的信息实行加密 (encryption) 和解密 (decryption) 算法，从而使任何其它人没有办法获得原始信息。
密钥 (key) 指的是一串特定的参数，发送信息的一方用密钥和原始信息进行加密运算得到密文 (cryptogram)，接收方用密钥和密文进行解密运算得到原始信息。
加密和解密的算法是公开的，密文的保密性依赖于密钥的保密性。
密钥的保密性依赖于密钥的随机性和有足够的长度。
密钥分两类，一类是对称密钥 (Symmetric key) ，发送和接收方用同样的密钥进行加密解密，比如DES (Data Encryption Standard) 算法；另一类是非对称密钥 (Asymmetric key) ，发送和接收方用不同的密钥进行加密解密，发送方用公用密钥 (Public key) 加密，接收方用私有密钥 (Private key) 解密。
两个密钥有一定的数学关系，但是很难从公用密钥获得私有密钥，比如RSA算法采用的分解大数法。
一旦双方获得相应的密钥，密文就可以在公共信道上传递而不必顾忌公共信道上可能存在的窃听者，因为窃听者没有密钥，无法成功解密。
但是为了通信双方成功建立密钥，必须要有一个可靠和高度机密的信道传递密钥。
然而从理论上说，任何经典的密钥传递 (key distribution) 都不能保证总能察觉密钥是否被窃听。
因为经典的信息是无法区分的 (跟量子相比) ，窃听者可以读取信息然后还原该信息，接收方无法知道中间是否发生过窃听。
非对称密钥的好处就在于避免了密钥的传递，由于双方的密钥有一定的数学关系，但又不是用现有的计算能力能够快速破解的，比如RSA的分解大数关系，所以达到保密的目的。
这种方法的缺陷在于如果有一种比现有快很多的计算方法出现，就很容易获得私有密钥。
量子密码学的基本原理与应用实例
量子密码学的基本原理与应用实例量子密码学是一种基于量子力学原理的密码学方法，是为了在加密和解密过程中保护信息免受未经授权的访问和攻击而发展的一门学科。
相对于传统的密码学方法，量子密码学的基本原理和应用具有许多独特的优势，被认为是未来信息安全领域的重要发展方向之一。
量子密码学的基本原理可以归结为两个重要概念：量子纠缠和量子不可克隆性。
量子纠缠是指通过特殊的量子操作，将两个或多个量子比特（qubits）之间建立起一种特殊的纠缠关系，使得它们之间的状态相互关联，即一个量子比特的状态的改变会影响到其他相关的量子比特的状态，这种关联关系是无法通过经典手段复制或破解的，因此可以用来保护信息传输的安全性。
量子不可克隆性是指量子态的不可复制性，即无法精确复制一个未知的量子态。
这意味着，如果尝试对量子信息进行测量或复制，必然会对其状态产生干扰，进而破坏信息的完整性，因此可以实现加密和身份认证等安全任务。
量子密码学的应用有许多实例，下面介绍几个典型的案例。
第一个应用实例是量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）。
QKD是量子密码学最早得到实际应用的一种方法，旨在解决密钥分发过程中的安全性问题。
传统的密钥交换方式通常存在安全性隐患，容易被窃听者利用信息采集技术获取密钥信息。
而通过量子纠缠和量子态的测量，QKD可以实现安全的密钥分发，保护通信双方的密钥免受窃听和篡改。
实际上，QKD已经成功应用于银行、政府机构等对安全性要求较高的领域。
第二个应用实例是量子认证（Quantum Authentication）。
传统的身份认证方式通常依赖于密码或证书的验证，容易受到密码泄露或伪造攻击的影响。
而利用量子态的不可复制性和量子纠缠的特性，量子认证可以实现更高的安全性和可信度。
例如，利用量子纠缠可实现量子密钥认证（Quantum Key Authentication，QKA），在安全通信过程中通过验证量子密钥的完整性和准确性来验证通信双方的身份，防止中间人攻击和冒充。
量子密码技术研究
量子密码技术研究随着网络技术的不断发展，互联网的安全问题已成为人们关注的重点。
在互联网上，数据的传输不可避免地面临着窃听、篡改等风险。
在这种背景下，密码技术得到了广泛的应用，而量子密码技术则成为了保护网络安全的新兴技术。
什么是量子密码技术？量子密码技术是一种使用量子物理理论，利用光子之间的纠缠和不可克隆特性来保护信息传输过程中的安全。
其基本原理是，通过发送一个一次性密码的方式，最大程度地保证信息传递的安全性。
量子密码技术与传统的密码技术有什么不同？传统的密码技术使用的是“秘钥传递”技术，即利用密码学算法生成一把密钥，通过网络传输，可将信息进行加密和解密。
但是，这种技术也存在极大的风险，因为密钥可以被黑客窃取，从而导致信息泄露。
相比之下，量子密码技术使用的是“一次性密码”技术，即利用量子物理学原理生成“一次性密码本”，保证密钥和信息的完美匹配，不容易被窃听或篡改。
量子密码技术的发展现状目前，量子密码技术的理论研究已经十分成熟，并且在一些国家和地区已经应用于部分行业。
此外，全世界也已经出现了多家专门从事量子密码技术研究的企业。
中国在量子密码技术方面也取得了一定的成绩，例如，中科院在1998年发明了量子密码防窃听技术，并在实验中获得了成功。
此外，2013年中国科学家成功地进行了一次实验，通过卫星实现了距离为1200公里的量子密钥分发，创造了国际纪录。
量子密码技术的前景对于量子密码技术的发展前景，有专家认为，随着计算机性能的提升，传统的密码技术将变得越来越不安全，而量子密码技术将成为未来网络安全的重要保障。
此外，随着物联网技术的不断推进，各种设备之间的互联和信息传递也将变得越来越频繁，而这也会增加信息泄露的风险。
这时，量子密码技术的优势将得到充分的体现，成为网络安全的最佳选择。
总结量子密码技术的出现，为网络安全提供了新的解决方案。
虽然目前在实际应用中还存在一些技术难点和成本问题，但是相信随着技术和市场的逐步成熟，量子密码技术将会在未来得到广泛的应用和推广。
量子密码学
密码学
密码学简介
密码学目的
经典的密码学是一门古老的学科，它的起源可以追溯到几千年前的古埃及、古罗马时代。早在四千年前，古 埃及一些贵族墓碑上的铭文就已经具备了密码的两个基本要素：秘密性和信息的有意变形。尽管如此，密码学作 为一门严格的科学建立起来还仅仅是近五十年的事。可以说，直到1949年以前，密码研究更像是一门艺术而非科 学。主要原因在于，在这个时期没有任何公认的客观标准衡量各种密码体制的安全性，因此也就无法从理论上深 入研究信息安全问题。1949年，on发表了《保密系统的通信理论》，把密码学建立在严格的数学基础之上。密码 学从此才成为真正意义上的科学。
谢谢观看
量子密码学
一门很有前途的新领域
01 密码学
03 后
目录
02 简介
量子密码学（Quantum Cryptography）是一门很有前途的新领域，许多国家的人员都在研究它，而且在一 定的范围内进行了试验。离实际应用只有一段不很长的距离。量子密码体系采用量子态作为信息载体，经由量子 通道在合法的用户之间传送密钥。量子密码的安全性由量子力学原理所保证
密码学的目的是改变信息的原有形式使得局外人难以读懂。密码学中的信息代码称为密码，尚未转换成密码 的文字信息称为明文，由密码表示的信息称为密文，从明文到密文的转换过程称为加密，相反的过程称为解密， 解密要通过所谓的密钥进行。因此，一个密码体制的安全性只依赖于其密钥的保密性。在设计、建立一个密码体 制时，必须假定破译对手能够知道关于密码体制的一切信息，而唯一不知道的是具体的一段密文到底是用哪一个 密钥所对应的加密映射加密的。在传统的密码体制中，只要知道了加密映射也就知道了解密映射。因此，传统密 码体制要求通信双方在进行保密通信之前必须先约定并通过“安全通道”传递密钥。此外，在传统的密码体制下， 每一对用户都需要有一个密钥。这样，在n个用户的通讯网络中，要保证任意两个用户都能进行保密通信，就需要 很多“安全通道”传送n(n-1)/2个密钥。如果n很大，保证安全将是很困难的。
量子密码
最后，让我们一起期待量子密码术在未来能够为我们带来更多的惊喜和可能。在信息安全的道路 上，让我们借助物理的力量，走向更美好的未来。
01 基本概念
03 实践意义 05 延伸阅读
目录
02 工作原理 04 应用实例
基本概念
量子密码术与传统的密码系统不同，它依赖于物理学作为安全模式的关键方面而不是数学。实质 上，量子密码术是基于单个光子的应用和它们固有的量子属性开发的不可破解的密码系统，因为 在不干扰系统的情况下无法测定该系统的量子状态。理论上其他微粒也可以用，只是光子具有所 有需要的品质，它们的行为相对较好理解，同时又是最有前途的高带宽通讯介质光纤电缆的信息 载体。
而且，在量子密码术中还有另一个固有的安全级别，就是入侵检测。Alice和Bob将知道Eve是否 在监听他们。Eve在光子线路上的事实将非常容易被发现，原因如下：
让我们假设Alice采用右上/左下的方式传输编号为349的光子给Bob，但这时,Eve用了直线偏光 器，仅能准确测定上下或左右型的光子。如果Bob用了线型偏光器，那么无所谓，因为他会从最 后的键值中抛弃这个光子。但如果Bob用了对角型偏光器，问题就产生了，他可能进行正确的测 量，根据Heisenberg不确定性理论，也可能错误的测量。Eve用错误的偏光器改变了光子的状态， 即使Bob用正确的偏光器也可能出错。