量子密码
量子密码实现方法
量子密码实现方法
量子密码是一种基于量子力学原理的加密通信方法，其安全性基于量子物理学的特性，如量子纠缠和量子不可克隆性等。
在量子密码的实现中，有几种常见的方法，包括量子密钥分发（QKD）和量子通信网络。
以下是这些方法的简要介绍：
1.量子密钥分发（QKD）：
QKD是最为常见和成熟的量子密码实现方法之一。
它利用量子力学的原理在通信双方之间分发加密密钥，以实现安全的信息传输。
在QKD中，通信双方使用量子比特（通常是光子）来传输信息。
通过测量量子比特的属性，可以创建一对密钥，这对密钥只有通信双方知道，并且任何窃听者都无法窃取。
QKD的安全性基于量子力学原理，包括量子态的不可克隆性和测量对系统的干扰性。
2.量子通信网络：
量子通信网络是建立在量子密钥分发系统之上的更复杂的网络结构，旨在实现长距离和多用户之间的安全通信。
在量子通信网络中，QKD系统可以连接到多个用户和中继节点，使得安全密钥可以在网络中传输，并为用户之间的安全通信提供支持。
量子通信网络的实现需要克服多种技术挑战，包括量子比特的传输、保护和控制，以及对信道中的噪声和干扰的抵抗能力。
3.其他量子密码技术：
除了QKD之外，还有其他一些量子密码技术，如量子标记认证、量子身份认证和量子签名等。
这些技术利用量子物理学的原理来实现安全的身份验证和数字
签名，从而保护通信的完整性和可信性。
总的来说，量子密码是一种非常前沿和高度安全的加密通信方法，其实现方法主要包括量子密钥分发和量子通信网络。
随着量子技术的不断发展和进步，量子密码将在未来的安全通信领域发挥越来越重要的作用。
什么是量子加密？
什么是量子加密？量子加密是一种利用量子力学原理来保护通信安全的技术。
它基于量子物理学的原理，利用量子之间的相互关系来加密和解密信息，从而实现通信过程中的安全传输。
与传统的加密方式相比，量子加密具有更高的安全性和不可破解性。
1. 量子加密的原理量子加密的基本原理是利用量子纠缠和量子隐形传态的特性来实现安全传输。
在量子纠缠中，两个或多个粒子之间存在着特殊的关系，它们的状态是相互依赖的。
通过这种相互关系，即使只对其中一个粒子进行操作，另一个粒子的状态也会发生相应的变化。
利用这个特性，发送方可以将信息转化为粒子的状态，并将其发送给接收方。
接收方则通过测量粒子的状态来获取信息。
2. 量子加密的优势相比传统的加密方式，量子加密具有以下几个明显的优势：2.1. 完美安全性: 量子加密的安全性是建立在量子物理学的基础上的，几乎无法被破解。
由于量子力学的不确定性原理，任何对量子状态的测量都会对其产生干扰，从而被攻击者所知。
2.2. 传输速度快: 量子传输的速度比传统加密方式更快。
由于量子之间的相互关系可以实现瞬时传输，因此信息摆脱了传统通信中的“为光速限制”的局限。
2.3. 高度可靠性: 量子加密不容易受到干扰和攻击，可以有效防止信息被窃取和篡改。
即使攻击者拦截了传输的量子粒子，由于其状态会发生变化，接收方会立即察觉到攻击行为。
3. 量子加密的应用量子加密技术在信息安全领域具有广泛的应用前景。
以下是其中的几个应用方向：3.1. 量子通信: 量子通信是量子加密的最主要应用之一。
在量子通信中，信息被转化成量子粒子的状态，并通过量子纠缠进行安全传输。
这种方式无论是在长距离传输还是在短距离传输中都能够保证信息的安全性。
3.2. 量子密钥分发: 量子密钥分发是利用量子力学的原理来生成和分发密钥，从而实现加密和解密过程的安全性。
通过使用量子密钥分发技术，可以有效地防止密钥被破解和窃取。
3.3. 量子密码学: 量子密码学是基于量子力学原理来设计和实现密码系统的一种技术。
量子密码
例如，N = 250, 量子存储器可同时存储比宇宙 中原子数目还要多的数据。
12
量子计算的基本原理（续）
计算是对数据的变换 对 N 个存储器运算一次， 只变换一个数据。 对 N个存储器运算一次， 同时变换2N个数据。
经典计算机
量子计算机
13
量子计算的基本原理（续）
可见：对N个量子存储器实行一次操作，其
成果
第一个演示实验，传播距离为32厘米， 误码率为4%
2000
自 由 空 间 2002 2005 2007
实现传输距离1.6km
用激光成功传输光子密钥达23.4km 完成了13km的纠缠光子分配， 并演示了BB84-E91协议 演示了144km的decoy态量子密钥分配
40
BB84协议的实验验证（续）
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量子计算的基本原理
一个存储器
经典 可存储0或1（一个数） 量子 可同时存储0和1（两个数）
两个存储器 经典 量子
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可存储00,01,10或11(一个数) 可同时存储00,01,10,11(四个数)
量子计算的基本原理（续）
N 个存储器
经典：可存储一个数 （2N 个可能的数之中的一个数） 量子：可同时存储 2N 个数 因此，量子存储器的存储数据能力是经典的 2N 倍， 且随 N 指数增长。
若 N=250， 要用8×105年
例
N=1000，要用1025年(比宇宙年龄还长)
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Shor量子并行算法对RSA的破译
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Grover量子搜索算法
问题：从N个未分类的客体中寻找出某个特定客体。
例如: 从按姓名排列的106个电话号码中找出某个特 定的号码。
经典计算机 量子计算机
量子密码应用的原理
量子密码应用的原理1. 什么是量子密码量子密码是基于量子力学原理设计和实现的一种密码系统。
它利用量子纠缠、不确定性原理等量子力学现象，提供了一种更安全的加密方式。
相比传统的经典密码系统，量子密码能够提供更高的安全性和抗量子计算攻击的能力。
2. 量子纠缠量子纠缠是指两个或多个量子系统之间存在一种特殊的关联关系，不论它们之间的距离有多远，一个量子系统的状态的改变都会立即影响到其他纠缠的量子系统的状态。
这种关联关系被称为纠缠态。
利用量子纠缠可以实现量子密钥分发（QKD）协议。
在QKD协议中，发送方通过纠缠态将密钥的信息传递给接收方。
由于量子纠缠的特性，任何对密钥信息的窃听或干扰都会导致量子纠缠破裂，从而使得密钥的安全性得到保证。
3. 量子随机数生成量子随机数生成是指利用量子力学规律生成真正的随机数序列。
传统的伪随机数生成算法是基于确定性的算法，无法生成真正的随机数。
而利用量子力学的不确定性原理，可以实现真正的随机数生成。
在量子密码中，随机数的生成对于密钥的生成和加密过程起到关键作用。
利用量子随机数生成，可以确保密钥的随机性，进而提高密码系统的安全性。
4. 量子态测量量子态测量是指对量子系统进行的测量，用以确定量子态的性质。
在量子密码中，利用量子态测量可以实现对密钥的提取和检验。
量子密码中常用的测量方式为基态测量。
在这种测量方式下，接收方利用量子态测量，可以得到发送方传递的密钥信息，从而实现密钥的提取。
5. 量子误码率量子误码率是指量子态传输过程中发生错误的概率。
在光纤或自由空间中，由于种种因素的影响，量子态的传输可能会出现误码。
因此，在量子密码中，衡量传输过程的安全性和可靠性的一项重要指标就是量子误码率。
通过测量量子信道的误码率，可以评估量子密码系统的安全性和信道的可靠性。
较低的误码率意味着传输的量子信息更加可靠和安全。
6. 量子键分配量子键分配是指在量子密码中通过量子纠缠来实现密钥分发的过程。
量子键分配通过在发送和接收方之间建立起一种特殊的量子纠缠态，可以实现安全的密钥分发。
量子密码原理
量子密码原理量子密码原理量子密码被认为是破译困难度极高的密码体系之一，其基于量子力学原理，利用量子特性来实现高度安全的信息传输和加密过程。
本文将从浅入深地介绍量子密码原理。
量子密码简介量子密码是利用量子力学的特性，在加密和解密过程中保护信息安全的一种密码体系。
与传统的公钥密码体系不同，量子密码使用量子比特（qubits）作为密钥和信息的基本单位，利用量子力学的不可克隆性和测量不可逆性来保护信息的传输和存储。
量子密钥分发量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）是量子密码体系的核心部分。
在QKD过程中，发送方（Alice）和接收方（Bob）通过量子通道传输量子比特来分发密钥。
以下是量子密钥分发的几个重要步骤：•量子比特的生成：Alice生成一串随机的量子比特，利用量子特性使得这些比特处于未知状态。
•光子传输：Alice将量子比特通过光纤或自由空间传输给Bob。
由于光子的量子特性易受到干扰，传输过程会受到噪声和损耗的影响。
•量子测量：Bob接收到光子后，对光子进行测量来获取量子比特的信息。
由于测量的不可逆性，Bob无法完全复制Alice发送的量子比特。
•密钥提取：Alice和Bob公开比较一部分量子比特，根据这些比特的结果筛选出一致的比特作为最终的密钥。
其他比特则被丢弃，以保证密钥的安全性。
量子保密通信在获得共享密钥后，Alice和Bob可以使用对称加密算法进行量子保密通信。
量子保密通信的主要步骤如下：•加密：Alice使用共享密钥对要传输的信息进行加密。
常用的加密算法包括AES（Advanced Encryption Standard）等。
•传输：通过经典的通信信道，Alice将加密后的信息传输给Bob。
•解密：Bob使用共享密钥对接收到的密文进行解密，从而获得原始信息。
量子密码的安全性量子密码具备很高的安全性，这主要是由于量子力学的特性所决定的。
以下是量子密码的安全性特点：•量子态不可克隆：由于量子态的测量不可逆性，攻击者无法完全复制量子比特的状态。
量子密码
对于量子比特 u a 0 b 1 和 c 0 d 1 定义一下运算：其中 a2 b2 1,c2 d 2 1 1）、内积 ( , u ) u a*c b*d 其中 a* 和 b* 分别是a,b的共轭复数，可见内积结果是数。 2）外积 量子态自身的外积是 u u ，是一个算符 且有 ( u u ) v u u v u v u 3）投影算符 以 u 和 v 两个投影算符： Pu 1 v v 和 Pv 1 u u
BB84协议的安全性分析： 在光子的四个偏振态中 { , } 是线偏振态， { , } 是圆偏振态，线偏振态和圆偏振态是共轭 态，满足测不准原理。根据测不准原理，对线偏 振光子的测量结果越精确意味着对圆偏振光子的 测量结果越不精确。因此，任何攻击者的测量必 定会带来对量子比特的扰动，而合法通信者可以 根据测不准原理检测出该扰动，从而检测出窃听 者的存在与否。此外，线偏振态和圆偏振态是非 正交的，因此它们是不可区分的，攻击者不可能 精确的测量所截获的每一个量子态。量子的测不 准原理和不可克隆定理保证了BB84协议的无条件 安全性。
量子密码学
——量子密钥分配
一、量子密码的起源
• 1969年哥伦比亚大学的学者S.Wiesner（威 斯纳）最先提出利用量子效应保护信息，开 创了量子密码的先河，遗憾的是没有引起量 子密码的蓬勃发展 • 十年之后，IBM的研究人员Bennett（贝内 特）和加拿大的G.Brassard（布拉萨德） 在第20次IEEE计算机基础会议上讨论了威 斯纳的思想，自此之后，量子密码学才缓慢 发展起来。90年代之后，量子密码受到高度 重视，取得了迅速进展
2、量子密码的安全性基础
量子密码的两个基本特征是：无条件 安全性和对窃听的可检测性 。所谓密码 系统的无条件安全性是指在攻击者具有无 限计算资源的条件下仍不可能破译此密码 系统。 所谓对窃听者或其他各种扰动的可检 测性是指两个用户之间通信受到干扰时， 通信者根据测不准原理可以同步检测出干 扰存在与否。 上述的两个特征的理论基础是： 1）、海森堡测不准原理 2）、量子不可复制定理
量子密码的原理
量子密码的原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊量子密码这神奇的玩意儿。
你说这量子密码啊，就好像是给信息穿上了一层超级无敌隐形铠甲！一般的密码就像是普通的门锁，而量子密码那可是高科技智能锁。
咱平常的信息传递，就像是在大路上走，可能会被小偷惦记。
但有了量子密码，那就相当于走在一条只有你知道的秘密通道里，别人想偷看都没门儿。
量子密码的原理呢，其实挺好玩的。
就好像两个小伙伴之间有独特的暗号，只有他们俩懂。
这暗号还会变来变去，让外人摸不着头脑。
想象一下，信息变成了一个个小精灵，它们在量子的世界里欢快地蹦跶。
量子的特性让这些小精灵变得神出鬼没，谁也别想轻易抓住它们的行踪。
量子纠缠就像是双胞胎之间的心灵感应，这边一动，那边立马就知道了。
利用这个神奇的现象，就能让信息传递变得超级安全。
而且啊，量子密码可不是好惹的。
它就像是一个警惕的小卫士，一旦有不怀好意的人想靠近，立马就会发出警报。
这可多厉害呀！
你再想想，要是没有量子密码，那我们的信息不就跟没穿衣服似的，被人看个精光？那多可怕呀！我们的隐私、我们的秘密，可都全曝光啦！
量子密码让我们的信息世界变得更加安全可靠。
它就像是一道坚固的城墙，把那些想窃取我们信息的坏人都挡在外面。
现在科技发展得这么快，量子密码肯定会越来越重要。
以后说不定我们的生活处处都离不开它呢！
咱得跟上时代的步伐呀，了解了解这量子密码到底是怎么回事。
不然等别人都在用了，咱还一头雾水，那不就落后啦？
所以说呀，量子密码可真是个好东西，我们得好好珍惜它，让它为我们的信息安全保驾护航！这就是我对量子密码的看法，你们觉得呢？。
量子密码的实现与应用
量子密码的实现与应用量子密码是一种安全的加密方法，可以解决传统密码容易被破解的问题。
它基于量子力学中的量子纠缠和不确定性原理，使用量子比特代替传统的比特，实现绝对安全的信息传输。
在现今信息安全问题愈加突出的情况下，量子密码技术的应用已经引起了广泛关注。
一、量子密码实现的原理量子密码的实现依靠量子态的干扰和测量原理，主要包括以下三个步骤：1. 信源分发：量子信息的产生需要一个信源，可以使用光子、原子等粒子来生成。
信源通常是由一个激光器等外部信号作用于一个荧光材料或者自然光启发产生的。
在分发过程中，信源会产生两个量子比特，一个发送给发送方，一个发送给接收方。
2. 量子纠缠：量子纠缠是量子密码的核心概念。
发送方和接收方通过操作，使两个接收到的量子比特处于纠缠状态。
一旦两个量子比特纠缠在一起，它们将共享一个状态。
如果接收方对其中一个量子比特进行测量，则它们的状态将立即发生变化并显示出测量结果。
这样，纠缠态的一方就可以将测量结果传送给另一方。
3. 信息恢复：接收方收到的量子比特需要在恢复处理的过程中进行解码，从而获得发送方传输的信息内容。
二、量子密码应用场景目前，量子密码已经在多个领域得到了广泛应用，包括以下几个方面：1. 保护政府与军事机密信息：政府和军队的信息安全是国家安全的重要组成部分。
量子密码技术可以确保一旦第三方试图窃取数据，则量子纠缠状态会立即被破坏，被攻击者发现并且可及时阻止。
2. 金融安全：保障金融数据的安全是商业机构必须考虑的问题之一。
从银行交易到保险业务，传送敏感的财务数据需要使用安全的加密技术。
量子密码技术可以提供更强大的防御措施，让机构能够更加安心地实现金融交易。
3. 数据通信安全：数据通信是一个全球性的系统，越来越多人使用电子邮件、在线购物、信息共享等方式来交流和分享。
量子密码技术可以将一个固定的加密键变为可以改变的动态键，这在保护大量的数据通信方面是非常有用的。
4. 医疗保健：医疗领域关键数据的机密性以及保护患者隐私是至关重要的。
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量子密码摘要论文说明了量子密码的现实可行性与未来可行性，强调了量子密码比传统密码和公开密钥更加方便和安全，探讨了量子密码的理论基础与试验实践。
密码技术是信息安全领域的核心技术，在当今社会的许多领域都有着广泛的应用前景。
量子密码术是密码技术领域中较新的研究课题，它的发展对推动密码学理论发展起了积极的作用。
量子密码技术是一种实现保密通信的新方法，它比较于经典密码的最大优势是具有可证明安全性和可检测性，这是因为量子密码的安全性是由量子物理学中量子不可克隆性Heisenburg 测不准原理来保证的，而不是依靠某些难解的数学问题。
自从BB84量子密钥分配方案提出以来，量子密码技术无论在理论上还是在实验上都取得了大量研究成果。
关键词：密码学；量子；偏光器；金钥；量子密码；金钥分配目录1.密码学原理............................................................................................................. - 2 -1.1密码学概念...................................................................................................... - 2 -1.2对称密钥.......................................................................................................... - 2 -1.3公开密钥.......................................................................................................... - 2 -2.量子密码学原理.................................................................................................... - 2 -2.1量子密码学概念.............................................................................................. - 2 -2.2量子密码工作原理.......................................................................................... - 3 -2.3量子密码理论基础.......................................................................................... - 4 -2.4试验与实践...................................................................................................... - 5 -3.结论 ........................................................................................................................... - 5 -参考文献................................................................................................................ - 6 -1.密码学原理1.1密码学概念把一个加密系统采用的基本工作方式叫做密码体制。
构成一个密码体制的两个基本要素是密码算法和密钥。
一个密码体密码体制[1]通常有五部分组成：明文空间u；密文空间l；密钥空间k，k=<ke，kd>（ke是加密密钥，kd是解密密钥）；加密算法e；解密算法d。
明文m∈u，密钥k=<ke，kd>∈k，则加密c= （m）∈l，解密m= （c）∈u。
1.2对称密钥对称密钥要求加密密钥ke和解密密钥kd是相同的[1][2]，因此存在三大问题：一是对称密钥的管理困难性问题；二是密钥的传送问题；三是文件的数学签名问题。
1.3公开密钥基于对称密钥存在的三大问题，人们就提出了公开密钥机制，它解决了对称密钥存在的三大问题。
加密密钥ke和解密密钥kd是不相同的；加密密钥ke和加密算法e是公开的，解密密钥kd和解密算法只有解密人知道。
常用的公开密钥有：diffie-hellman 算法；rsa算法；ecc算法等[2][3]。
但公开密钥虽然解决了对称密钥存在的问题，但也有要求密钥比较长，加密速度比较慢等问题。
但现在流行的还是公开密钥。
2.量子密码学原理2.1量子密码学概念人们当目前大部分是透过光纤来快速和稳定传送大量的数据。
但也有在探索另一种方式——就是不通过光纤直接以光束来传送数据。
这样首先要保证传送数据资料的保密性，怎样才能安全地传送信息，这就是人们目前研究的量子密码学用物理学知识来开发不能被破获的亲的密码系统就叫量子密码，也就是说：如果不了解发送者和接受者的信息，该密码系统就是非常安全的。
“量子”的意义是指现实中物质和能量的最小单位的*最基本的行为；“量子理论”可以解释世界上存在的所有事物。
我们都知道传统密码依赖于一个数学难题，而量子密码与传统的密码系统的理论基础不同，它是一个全新的概念，它依赖于物理学的理论作为密码的安全模式，简单地说就是基于单个光子和它们固有的量子属性来研究开发比较先进安全的全新密码系统。
因为量子系统在不干扰系统的情况下是不可能测定该系统的量子状态的。
当然理论上说其他微粒行的，但研究发现光子具有密码学所需的最好特性，它们的应用相对较好理解和研发，同时光子又是非常好地最有前途的带宽通讯光纤电缆的信息载体。
2.2量子密码工作原理bennett和brassaed于1984年提出了这样的量子密码工作模式[4][5]：假设alice和bob两人想安全地传送秘密信息，首先用某种类型的模式alice发送给bob一个键把信息初始化，这个键是一个随意的位序列，也可能就是加密*数据信息的模式。
用一个特定的二进制位（0或1）来表示两个不同的初始值。
我们也可以假设这个键值传输的光子流是在一个方向上，用单个的数据位0或1来表示每一个光子微粒。
光子除了直线运动外，还可以以某种方式沿任意方向轴在360度的空间进行振动。
为简单起见（当然也没有影响结论），在量子密码系统中把这些振动状态分为4组模式：上、下振动模式；左、右振动模式；左上、右下振动模式、右上、左下振动模式，振动角度就沿光子的两极。
在系统中加入一个偏光器，偏光器是物理学上一种简单的过滤器，它允许预先规定的某种振动状态的量子毫无改变的通过，但其他震动状态的量子通过后就会改变状态。
现实中alice可以有允许这四种振动状态模式的光子通过的偏光器，她可以任意选择四种振动状态模式进行过滤，在直线和对角线之间转换她的振动模式来过滤随意传输的单个光子。
这时，就用两种振动模式中的一种表示一个单独的位1或0。
当bob接受到光子时，必须用直线或对角线的偏光镜来测量每一个光子位。
同时alice选择偏光器时是很随机的，他可能选择正确的偏光角度，也可能是错误的。
由heisenberg测不准原理知道：测量同一系统的两个属性时，测量其中一个必然影响到另外一个的准确性，这就说明不可能同时准确测量一个系统的两个属性。
这样不能确定每一个单独的光子会怎样，因为测量它的行为时我们改变了它的属性。
假设监听者eve在窃听传送的信息，甚至他有一个与bob相同的偏光器，但他面临着与bob同样的问题，需要选择对光子进行直线或对角线的过滤，这样他有一半的可能性他会选择错误的偏光器。
bob的优势在于他可以向alice 确认所用偏光器的类型。
而eve是不能做到这一点的，有50%的可能性他选择了错误的检测器，错误地解释了光子信息来形成最后的键。
同时，在量子密码系统中还有一道安全防范——入侵检测。
通过入侵检测alice和bob容易知道eve是否在监听他们，原理如下：假设alice采用右上、左下的振动模式传输编号为8818的光子给bob，但这时，eve 用了直线偏光器，仅能准确测定上、下振动模式或左、右振动模式的光子。
如果bob也用了直线偏光器，那么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，由heisenberg测不准原理，他可能测量是正确的，也可能测量是错误的。
因为eve 用错误的偏光器改变了光子的状态，即使bob用正确的偏光器也就要出错了。
bob一旦发现了eve监听行为，他们可以采取上面的措施，获得一个由0和1组成的唯一的键序列，来检查收到键值的有效性和安全性。
不妨假设最后的键值包含6000位二进制数字，alice和bob就是非常随机的从这些数字当中选出一个任意子集（比如100位），根据两种状态和数字状态（0或1），进行比较，如果安全匹配，就认为eve没有监听。
假如eve在监听，很容易就能发现，因为不被发现概率是万亿分之一。
一旦alice和bob发现有eve监听后将不再用这个键值，他们将在eve不可到达的安全信道上重新开始键值的交换，这样上述的比较活动可以在不安全的信道上公开进行。
如果alice和bob推断没有eve监听，他们用100位进行了测试键值是安全的，抛弃这100位键值，6000位变为了5900位。
因此，量子密码系统在公共的键值密码技术中是连接键值交换的一种相对方便而又非常安全的方法。
one-timepad（otp）理论的基础：alice和bob通常是在不安全的通信信道中传送信息的，其他任何人也可能监听。
alice告诉bob用哪个偏光器发送的光子位，但不是他如何两极化的光子。
她可能说：理论上采用直线模式发送8818号光子，不会说发送时是上、下振动模式；左、右振动模式；左上、右下振动模式、右上、左下振动模式。
这样bob知道了他是否用正确的偏光器接受了每一个光子。
然后alice 和bob就抛弃他利用错误的偏光器测量的所有的光子。
这样他们得到的是传输长度是原来一半的0和1的序列。
于是就形成了完全随机和非常安全的量子密码系统。
2.3量子密码理论基础传统的密码学的理论基础是数学知识，量子密码学的理论基础是量子力学，在量子密码学中用光量子传递数据和信息，此数据和信息不可能被eve任意插入和截取，在量子密码系统中用随机的序列（bit-strings）将信息数据流安全地进行编码和译码。