量子信息密码学综述
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。
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：保护信息的新方法
量子密码学：保护信息的新方法
量子密码学是信息安全领域的一大革新，它利用量子力学的特性来保护数据的传输和存储。
传统的密码学方法，如RSA算法，依赖于数学上的难解问题，如大数分解。
然而，随着量子计算机的崛起，这些传统方法可能会变得易受攻击，因为量子计算机可以在短时间内解决传统密码学中的难题。
量子密码学通过利用量子力学中的不确定性原理来解决这一问题。
其中最著名的是量子密钥分发（QKD）协议。
在QKD中，信息传输的安全性建立在量子态的不可克隆性上。
发送方可以利用量子比特的特性创建和发送一种特殊的量子态，使得任何对该态的窃听都会引起量子态的塌缩，从而被检测到。
此外，量子密码学还涉及量子随机数生成和量子身份认证等技术。
量子随机数生成利用量子态的不可预测性生成高质量的随机数，这对加密密钥的生成至关重要。
而量子身份认证则利用量子态的非克隆性和量子测量的破坏性，实现了更加安全和难以伪造的身份验证过程。
尽管量子密码学在理论上提供了前所未有的安全性，但实际应用中仍面临一些挑战。
例如，当前的量子技术还不足以支持大规模的量子密钥分发网络，且实现和维护成本较高。
此外，对于量子计算机的发展也存在一定的不确定性，这使得量子密码学的应用和发展路径仍然需要进一步的研究和探索。
总体而言，量子密码学作为保护信息安全的新方法，展示了量子力学在信息安全领域的潜力和创新。
随着技术的进步和研究的深入，它有望成为未来信息安全的主要支柱之一，为我们的数字社会提供更加可靠和安全的保护。
量子计算与密码学详述
▪ 应对量子计算挑战的密码学技术
1.后量子密码学：后量子密码学是一种抵抗量子计算机攻击的 密码学技术，其主要包括基于格、基于编码、基于多线性映射 等方向的算法。 2.混淆电路：混淆电路是一种保护隐私的计算方法，可以在不 信任的双方之间进行安全计算。这种技术可以在一定程度上抵 抗量子计算机的攻击。 3.量子随机性：利用量子随机性生成的随机数具有更高的安全 性，可以用于加密和密钥生成等方面。这种技术可以在一定程 度上提高现有密码学的安全性。 以上内容仅供参考，具体还需要根据最新的研究和进展来进行 调整。
量子计算与密码学
量子密码学安全性和优势
量子密码学安全性和优势
▪ 量子密码学的安全性
1.量子密码学利用量子力学的原理，特别是在量子信息领域的 技术，提供了一种高度安全的信息加密和解密方式。其安全性 基于量子力学的不确定性原理和量子态的不可克隆性，使得窃 听者无法在不干扰通信的情况下获取信息。 2.与传统的加密方法相比，量子密码学具有更高的安全性。传 统的密码系统可能会受到计算能力的限制而被破解，但量子密 码学的安全性不受此限制，因为量子态的测量会改变其状态， 所以任何窃听尝试都会被立即检测到。 3.实际应用中，量子密码学已在一些重要领域得到应用，例如 军事通信、金融交易等，展现了其强大的实用性和潜力。
量子密码学简介
量子加密通信
1.量子加密通信利用量子力学原理，实现信息的加密和解密。 2.量子加密通信可以抵御窃听和拦截等攻击，保证通信的安全性。 3.目前量子加密通信已经应用于一些实际场景中，如金融和政府领域。
量子密码学的优势和挑战
1.量子密码学的优势在于具有信息论安全性，能够抵御传统密码学面临的攻击。 2.量子密码学的挑战在于实现难度大，需要克服许多技术难题。 3.未来量子密码学的发展需要更多的研究和创新，以推动实际应用的发展。
量子信息技术及其在密码学中的应用
量子信息技术及其在密码学中的应用随着信息技术的飞速发展，我们已经进入了信息化时代。
在这个时代，大量的信息需要在不同的场合中传递，而保证信息传递的安全性就显得尤为重要。
为了保证信息传递的安全性，人们对密码学进行了深入研究，并不断推陈出新地提出了一系列的加密算法。
然而，随着量子计算技术的发展，这些传统的加密算法已经不再安全。
此时，量子信息技术所提供的解决方案就显得尤为重要了。
1. 量子信息技术简介首先，我们来简单了解一下量子信息技术。
与经典信息技术不同，量子信息技术利用了量子物理学中一些奇妙的现象，例如量子叠加和量子纠缠。
利用这些现象，量子信息技术可以在一些特定的场合中实现比经典信息处理更高效、更安全、更可靠的信息处理。
目前，量子信息技术的应用领域主要包括量子计算、量子通信和量子密钥分发等。
2. 量子信息技术在密码学中的应用作为信息安全领域中最重要的工具之一，密码学主要涉及加密和解密。
因此，在讨论量子信息技术在密码学中的应用时，我们重点关注量子信息技术对加密和解密的影响。
2.1 传统加密算法的破解经典加密算法的加密过程常常使用一些基础的数学算法，例如对称加密中的异或操作和AES算法中的置换和代换。
在这些加密算法中，密钥长和加密算法的复杂度往往是保证加密强度的关键因素。
然而，由于经典计算机的加密算法破解速度已经越来越快，传统加密算法已经有被破解的风险。
2.2 量子计算机的崛起在这种情况下，量子计算机成为了可能突破当前加密算法的解决方案。
量子计算机能够同时处理多个状态，并在快速寻找出最佳的结果。
这种并行处理能力在解决一些复杂计算问题时具有重要的优势。
同时，量子计算机也能够针对一些当前常用的加密算法产生实际上无法被破译的攻击方式。
2.3 量子密钥分发为了应对量子计算机所带来的安全挑战，我们需要一种更为安全可靠的加密方式。
这就是当今研究的一个热门方向：量子密钥分发。
它利用量子物理学中的量子态叠加和量子纠缠等现象能够在不安全的传输信道上实现产生一个非常高质量的随机密钥。
量子信息在密码学与安全领域中的应用
量子信息在密码学与安全领域中的应用随着信息技术的飞速发展，保护信息安全的重要性也越来越被人们所重视，尤其是在传输和存储信息的过程中，存在着诸多的风险和威胁，比如黑客攻击、间谍窃听等问题，这些威胁可能导致重要信息的泄漏和丢失，给国家、企业和个人带来不可估量的损失。
为了更好地保护信息安全，人类探索了各种技术手段，其中，量子信息技术无疑是最前沿和最有潜力的技术之一。
本文将从密码学和安全两个方面，探讨量子信息技术在这两个领域中的应用。
一、密码学中的量子信息技术在密码学领域，人们的重点探讨往往是如何保证信息安全，在传统编码技术中，常用的是对称加密和非对称加密两种方式，但是这些算法的安全性都可能被攻击者所突破，因此加密技术的长期稳健性仍然是一个未解之谜。
而量子信息技术在密码学中的应用，则具有更高的保密性和安全性。
1. 量子随机数生成随机数种子在密码学中起着至关重要的作用，各种加密技术都需要这个种子来构建加密算法。
但是，人类生成的随机数并不是真正的随机数，而是伪随机数，因此容易被破解。
而利用量子技术生成随机数，则可以确保随机性的真正意义上的随机性，使得加密算法更加安全。
量子随机数生成方法的基本原理是：利用单光子的量子随机性，通过测量，可以得到一个真随机的数列。
这种方法的安全性和可靠性是基于量子力学基本定理的，即测量一个量子态会造成量子态崩溃的原理，攻击者无法窃取量子测量信息。
2. 量子密钥分发量子密钥分发是指利用量子通信通道进行密钥的交换。
量子密钥分发的基本原理是，将两个不同的量子态通过光子纠缠传送，使得两个态之间的关系无法被窃取，从而实现安全的密钥交换。
利用量子密钥分发技术，可以实现绝对安全的密钥交换，即使攻击者拥有无限制的计算能力，也无法窃取到密钥。
3. 量子认证与签名量子认证与签名是针对数字证书的量子技术，将数字证书中的私钥通过量子技术进行传输，从而实现无法被窃取的数字签名和认证。
在传统的数字签名中，私钥很容易被窃取，从而使数字签名失去保护作用。
量子信息技术应用于密码学保密性与解密性比较
量子信息技术应用于密码学保密性与解密性比较随着科学技术的发展，量子信息技术作为一项前沿技术受到了广泛的关注与研究。
在密码学领域，量子信息技术的应用已经成为一个热门研究方向。
本文旨在探讨量子信息技术在密码学保密性与解密性方面的应用，并比较其与传统密码学的差异。
1. 传统密码学的保密性与解密性传统密码学主要依靠数学算法和计算机科学技术来实现信息的保密性和解密性。
其中，对称密码学算法采用相同密钥进行加密和解密，而非对称密码学算法则使用公钥和私钥进行加密和解密。
传统密码学技术在很大程度上依赖于计算的困难性，即使是最强大的计算机也需要花费大量的时间和资源来破解密码。
但随着计算机性能的提升和密码分析技术的进步，传统密码学的安全性不断受到挑战。
2. 量子密码学的保密性与解密性量子密码学是一种基于量子力学原理的密码学方法，它利用量子信息技术的特性来实现更高级别的保密性与解密性。
量子加密通信技术是量子密码学的核心应用之一，其具有不可破解性和不可拷贝性的特点。
在量子通信中，信息是通过单个量子比特（qubit）进行传输，而非传统的0和1比特。
由于量子信息的威力和状态的脆弱性，任何窃听的行为都会导致信息的不可知和不可测。
量子密码学基于这一原理，通过对量子比特的观测和控制来保证信息的保密性和解密性。
3. 保密性比较在保密性方面，量子密码学具有传统密码学不可比拟的优势。
传统密码学的安全性主要依赖于算法的复杂性和计算机的运算能力，而量子密码学基于量子力学原理，具有绝对的保密性。
由于量子态的测量结果受随机性和干扰的影响，窃听者无法从传输的量子信号中获得任何有关密钥的信息。
因此，量子密码学可以提供更高级别的保密性，并抵御传统密码学所面临的各种攻击。
然而，尽管量子密码学在理论上具有绝对的保密性，但目前仍存在一些实际的挑战。
首先，量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）技术作为量子加密通信的核心部分，对硬件设备的要求非常高。
量子密码学与传统密码技术的综合分析
量子密码学与传统密码技术的综合分析近年来，随着量子计算及通信技术的突飞猛进发展，量子密码学作为一种新兴的密码学领域引起了广泛的关注。
与传统密码技术相比，量子密码学在信息传输中具有许多独特的优势。
本文将对量子密码学与传统密码技术进行综合分析，探讨其在信息安全领域的应用前景。
一、量子密码学的基本原理量子密码学是基于量子力学原理的一种新型密码技术。
其基本原理是利用量子力学中的不确定性原理和纠缠态特性来实现信息的安全传输和加密。
量子密码学主要包括量子密钥分发协议、量子认证协议和量子标记协议等。
在量子密码学中，量子密钥分发协议是最常见的应用方式，通过利用量子纠缠态特性和量子测量技术，实现密钥的安全分发和共享，从而保障通信的安全性。
二、传统密码技术的基本原理传统密码技术是指基于数论、代数学和信息论等数学基础的密码学技术。
其基本原理是通过加密算法和密钥管理来保护信息的机密性和完整性。
常见的传统密码技术包括对称密码和非对称密码。
对称密码是指发送方和接收方使用相同的密钥进行加解密操作，常见的对称密码算法有DES、AES等；非对称密码则是使用公钥和私钥进行加解密，RSA算法就是一种非对称密码算法。
三、量子密码学与传统密码技术的比较3.1 安全性量子密码学相较于传统密码技术在安全性方面具有更高的优势。
传统密码技术的安全性依赖于密钥长度和加密算法的复杂度，而随着计算机算力的提高和量子计算技术的发展，传统密码技术逐渐变得脆弱。
相比之下，量子密码学通过利用量子力学的原理，可以提供更高的安全保障。
例如，量子密钥分发协议基于量子纠缠和量子测量原理，可以实现绝对安全的密钥分发，即使是量子计算机也无法破解。
3.2 效率传统密码技术在效率方面有一定的优势。
由于量子密码学涉及到量子态的制备和测量，所需的硬件设备和技术较为复杂，因此在实际应用中会带来较高的成本和资源消耗。
而传统密码技术已经经过长时间的发展和优化，具备了较高的效率和稳定性，在许多实际应用场景中得到了广泛应用。
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密钥分发协议中的量子比特采用直接编码的方式实现了 秘密共享，打破了基于纠缠态秘密共享方案效率不超过 50%的上限。 (1)Alice生成两个长度为n的随机比特串L和A。L确定制 备的基信息；A的值为发送直积态对应经典比特的异或 。 A
态制备
0 1
0 1 0 0 1 1 0
量子态 量子态编码信息
3、比特
bit 0，1 Byte 10011010; 00110110 …… 16位 1011011001101111; …….
任何一个n位存储器，某时刻可存储2n个数据之一
4、量子态与量子比特
Qbit（量子态）----（1）光子的偏振
量子信息密码学
韩正甫
中国科学技术大学，光学与光学工程系 中国科学院量子信息重点实验室
11/30/2015 中国密码学会年会，上海交通大学
一、信息的量子化
1、信息的经典处理过程
经典物理量---强度、 频率、相位”等
香浓信息论
（0、1）
1 0 0 1 1
模பைடு நூலகம்量 数字化
0
1
经典物理量编码信息
1、信息的经典处理过程
性要求其必在某处出现，只能任选一位
置（ A/B/C) 测量，在任一位置发现该粒 子的概率为波函数在该处的模平方，且
A,B,C,…为探测器
波函数即刻塌缩到该处！
量子力学的态（波函数）----概率波
量子态的叠加与干涉
上 单光子
单光子探测器 D1 D2
分束器 量子计算、量子密钥分配
分束器
1 2
下
上＋下
王双，银振强等，Nature photonics, 已接收待发
2、量子秘密共享 Bob Alice
GHZ态
三光子纠缠态
Charlie
M. Hillery, V. Bužek, and A. Berthiaume, Phys. Rev. A 59, 1829 (1999).
基于非纠缠的经典消息秘密共享
量子消息的秘密共享
2012年，Sarvepalli等人基于图态构建量子消息 QSS，并实现接入网功能。
Phys. Rev.A86, 042303 (2012)
2013年，Sun等人提出可扩展的QSS协议。
Quantum Inf. Process. 12, 2877–2888 (2013)
3、量子比特承诺
经典消息的秘密共享
2009年，Sarvepalli等人基于CSS码理论提出 QSS方案，并实现接入网功能。
Phys. Rev. A80, 022321 (2009)
2012年，Tseng等人使用量子搜索算法构建
QSS方案，该方案中用户不需要存储粒子，仅有 经典比特信息就可以恢复秘密消息。
Int. J. Theor. Phys. 51, 3101–3108 (2012)
参考系与测量设备双无关量子密钥分配实验
王超等，Phys. Rev. Lett. 115, 160502 (2015)
热点3：无需检测误码率的QKD协议
之前所有的QKD协议都是通过误码率来计算窃听者对密钥 的信息量，进而生成密钥。Sasaki等人提出了一个完全不 同的协议（Round-Robin Differential Phase-Shift， RRDPS）。
L
0 1
0 |00>,|11> |++>,|-->
1 |01>,|10> |+->,|-+>
(2)Alice将制备的量子态发送给Bob和Charlie。 (3)Alice公布L (4)Bob和Charlie根据公布的L的值来选择基矢进行测量 G.-P. Guo and G.-C. Guo, Physics Letters A 310, 247 (2003).
安全性
一个安全的QBC协议要满足以下要求: (1) 正确性 (2) 绑定性: Alice成功揭示b的最大概率 Pb 满足 P0 P 1 1 b (n), 实际中经常用到的另一个等价判据是两者的算数平均值
P U 1 b ( n) . 2 2
(3) 保密性: Bob对b的猜测概率满足 其中， b (n) 和 c (n) 随安全参数n的增大呈指数减小。
For proving the security of a QKD scheme against arbitrary attacks, it suffices to consider attacks that have a certain product structure.
Renner Renner. PHD thesis (2005)
2、 量子通信----量子隐形传态
C
Alice
Bob
C
A
AB
B
纠缠源
2、量子通信-----量子隐形传态
C
Alice
Bob
C
A
B
AB
纠缠源
2、 量子通信----量子隐形传态
C
Alice
Bob
C
A
B
Bell态测量
纠缠源
2、 量子通信----量子隐形传态
Alice
经典信道
测量结果
Bob
C
Sasaki, et al., Nature, 509, pp475-478(2014)
RRDPS协议的被动实现方案
L=5, with 4 SSPDs (复用探测器)
Sasaki, et al, Nature photonics, (2015)
RRDPS协议的主动实现方案
L=65, 两个单光子探测器
Int. J. Theor. Phys. 52, 1043–1051 (2013)
2015年，Qin等人提出前摄QSS协议，参与者存
储的消息可以及时更新，以防止窃取，而秘密消 息却不发生变化。
H. Qin and Y. Dai,"Proactive quantum secret sharing" Quantum Inf Process 1 (2015).
----量子密钥分配安全性的基础
单边量子操作
Alice
翻 转
Bob
测量 1 或 测量 0
测量 1 或 测量 0
正反关联可变，但测量塌缩的随机性不变！
纠缠不能实现超距和超光速通信！！
Alice
测量塌缩过程不可控 ---纠缠不能单独用来 发送信息！ 只能用来分配密钥！
Bob
测量 1 或 测量 0
测量 1 或 测量 0
满足经典物理 要求的处理方 法—实数！
香浓信息论
1 0 0 1 1
模拟化
0
1
经典物理量编码信息
2、信息的量子化处理过程
量子态—偏振、相位等
量子信息论
0 1
模拟量 数字化
0 1
0 1 0 0 1 1 0
量子化
量子态编码信息
2、信息的量子化处理过程
满足量子力学规律 的处理方法！
量子信息论
0 1
模拟化 数字化
热点1-参考系无关量子密钥分配
参考系校准的安全性风险
Alice与Bob双方的参考系没有对齐
BB84协议不能够正常成码 产生很大的误码
耗费大量时间和 资源，并且Eve 可能从该过程获 得信息。能否去 掉参考系校准？
需要不时地校准对 齐双方的参考系
参考系无关量子密钥分配的实验
AT T
实 验 系 统
A. Ací n, N. Brunner, N. Gisin, et. al., Phys. Rev. Lett. 98, 230501 (2007).
测量装置无关量子密钥分配
Bell states measurement（BSM）
H.-K. Lo, M. Curty, and B. Qi, Phys. Rev. Lett. 108, 130503 (2012).
中科院量子信息重点实验室
BB84协议安全性的信息论证明
Alice和Bob之间的不确定度
H ( X | Y ) h(1 2 )
不同测量基下有相同的误码率
3 4 Q 2 4 Q
最终的安全密钥率公式为
1 2Q 4 Q 4 R min4 1 (1 Q)h( ) Qh( ) h(Q) 1 Q Q
memory
Coherent attack
Renato Renner
Alice’s photons Bob’s detectors
memeory Eve’s probes memeory memeory
量子密钥分配协议的安全性 等价于collective攻击下的安全性
Collective attack
BB84协议安全性的--物理证明
本质上利用了纠缠的单配性质：
若 A 和 B 建立最大纠缠则 A 和 E 不存在任何纠缠！三方共享资 源有限
W. Shor, J. Preskill ，Phys. Rev. Lett, 85, pp. 441-444. (2000)
gchsh ( X , Z )
2 2 gchsh ( A, B) gchsh ( A, E) 8.
0 , 1
（2）电子的自旋
0 （3）原子的能级 …… 1
QByte： 0 1 1 0 1 1 0 0
任何一个n位存储器，某时刻可存储2n个数据！
量子力学怎么理解世界？
----既具有粒子性又具有波动性