量子密码与量子通信
量子通讯技术简介
■ 三是因为中继节点的密钥存储和转发存在漏洞，可能成为整个系统的安全风险点。 如何解决纠缠态对信道长度抖动过于敏感、误码率随信道长度增长过快等严重问 题，也是一个令人头疼缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。 ■ 量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门
学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。 ■ 量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通
信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作）， 则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与 发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典 信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当 于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。
■ 高安全性 ■ 高效率性 ■ 较强的抗干扰能力 ■ 良好的隐蔽性能 ■ 较低的噪音
2020/6/27
46曾湘彬
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量子通信技术的难点
■ 一是为了进行远距离的量子态隐形传输，必须要让通信的两地同时具有最大量子 纠缠态。但是，由于环境噪的影响，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增大而 变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是此刻量子通信研究中的重 要课题。
2020/6/27
46曾湘彬
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量子通信技术的发展方向
■ 采用量子中继技术，扩大通信距离。 ■ 采用星地通信方式，实现远程传输。 ■ 建立量子通信网络，实现多地相互通信。
量子密钥分发和量子密码
量子密钥分发和量子密码量子技术是近年来备受关注的前沿领域，其中涉及到的量子密钥分发和量子密码也成为了研究和应用的热点话题。
量子密钥分发和量子密码的出现，为信息安全提供了全新的思路和途径，具有很大的潜在应用价值和发展前途。
本文将从量子密钥分发和量子密码的原理、特点和应用等方面进行探讨和分析。
一、量子密钥分发量子密钥分发是指利用量子力学原理生成安全的密钥，同时保持密钥传输的安全性。
其基本原理是利用量子态的特殊性质，实现密钥分发过程中的保密性。
在量子密钥分发过程中，发送方（Alice）和接收方（Bob）利用相同的量子密钥生成协议，在加密和解密的过程中，保证信息的安全性。
在传统加密中，传输的密钥往往有被窃取的风险，但是在量子密钥分发中，如果有任何外界的检测和侵入，就会导致量子态的坍缩，生成的密钥也会失效。
因此，量子密钥分发可以避免传统加密中存在的窃听和攻击等问题，实现了信息的高度保密性。
二、量子密码量子密码是指将量子技术应用于密码领域，实现更加安全和可靠的加密和解密过程。
量子密码可以通过量子态的特殊性质，对信息进行加密，并且在传输过程中保持加密状态。
其基本原理是利用量子测量过程中的单次检测原则，防止在传输过程中信息被窃取或者破解。
在量子密码中，发送方（Alice）和接收方（Bob）共同拥有一份对称密钥，利用该密钥进行信息的加密和解密过程。
在量子密码的加密过程中，利用量子态的叠加性质，将信息转化为对应的量子态，通过特殊的量子门进行加密操作。
在解密过程中，接收方通过已知的对称密钥对量子态进行操作，还原出原始信息。
整个加密和解密过程中，信息都保持着量子态的特殊性质，大大提高了信息的安全性和可靠性。
三、量子密钥分发和量子密码的特点1、安全性高量子密钥分发和量子密码具有高度的安全性，其基本原理是利用量子态的特殊性质，在传输和存储过程中保证了信息的安全性。
传统加密存在被破解和窃听等风险，而量子密钥分发和量子密码可以有效避免这些问题的发生。
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。
量子通信
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三、目前最为成熟、实用化最多的是量子密码主要包含有： 量子密钥分发( QKD)、量子安全直接通信( QSDC)、量子秘密共享( QSS)、量子认证 ( QA)、量子公钥加密( QPKC)、量子保密查询等研究方向。
2.QKD 技术的标准化和应用推广：未来几年本领域将开展涵盖器件、系统、网络、安全等层面 的 QKD 技术标准体系的构建，指导QKD 技术创新产业链的发展，确保量 QKD 技术产品的安全 可靠。
3.量子存储及中继技术：当前光纤 QKD 点到点通信距离最远 400 km 左右，不能满足实际应用 中上千公里通信的应用需求。采用量子中继技术理论上能有效延长系统通信距离，然而量子中 继技术需要用到量子存储、纠缠提纯和交换等技术，现有技术条件下难度较大。 4.大规模 QKD 网络及应用：随着合肥城域量子保密通信试验示范网、全长 2000 余公里的量子 保密通信骨干线路项目“京沪干线”正式建成中国实现了实现了大尺度 QKD 技术的试验验证。 未来十年，大规模组网技术将进一步成熟，网络容量达到万用户以上量级，网络涵盖范围将达 到万公里量级，实现广域 QKD 网络。
量子通信的发展历程
首先是由美国、英国分别 提出的BB84协议和E91协议
标志着量子通信的诞生
然后，各国科学家分别用 理论和实验来进行证明；
实际的物理条件和理想中物理条件有差距
研究者从软件和硬件两个层面 上解决问题： SARG04 协议和 诱骗态协议打开了 QKD 技术 走向实用化的大门
量子通信
量子通信技术交流探讨进入21世纪，随着世界电子信息技术的迅猛发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，以量子效应为基础的量子通信，将成为引领未来科技发展的重要领域。
那么，什么是量子通信？其发展现状和趋势怎样？在国防和军事应用方面的前景如何？一、量子通信的定义量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。
对于量子通信的概念，目前众说纷纭，从不同的角度有不同的表述。
一般意义上讲，量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式。
所谓量子纠缠，是指微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们离多远，只要一个粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变化。
也就是说，两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远，都能“感应”对方状态。
从物理学上讲，量子通信是在物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信方式；从信息学上理解，量子通信是利用量子力学的基本原理或者量子态隐形传输等量子系统特有属性以及量子测量方法，完成两地之间的信息传递。
目前量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。
量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。
按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。
前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传送和量子纠缠的分发。
所谓隐形传送指的是脱离实物的一种"完全"的信息传送。
从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。
使用单光子源的自由空间量子通信实验子系统，该系统执行BB84协议，图中，A为发射端，B为接收端，发射部分由激光源、半波片、极化分束器（PBS）、分束器（BS）、雪崩二极管（ADP）和电子光学调制器（EOM）组成，接收部分由滤波器、分束器、HV测量部分（垂直-水平极化）和+-测量部分（左-右旋极化）组成，每个测量部分由极化分束器和雪崩二极管组成，该系统使用自由空间作为量子信道，以因特网为经典信道，测量结果输入数据处理部分进行分析处理。
量子信息的基本概念和应用
量子信息的基本概念和应用量子信息是一种研究量子力学的基础及其应用的领域，涉及到量子计算、量子通信、量子密码、量子探测等方面的科技发展。
量子信息学的理论基础主要涉及到量子态的制备、测量、演化等方面，这些都具有量子力学的非经典性特征，在信息传输中也有着独特的优势。
1. 量子比特和量子门量子计算的基础是量子比特。
在经典计算中，比特可以表示为0或1两个状态，而量子比特则可以表示为量子态在0和1两个状态之间的叠加态。
量子比特的叠加态可以非常灵活地进行信息处理。
同时，两个量子比特之间的关系可用于量子门实现量子计算。
量子门是量子比特上的一种操作。
在经典计算中，门是逻辑计算的基础，比如与门、或门等。
在量子计算中，常用量子门有两种：哈达玛门和控制 NOT 门。
哈达玛门是一种将量子比特从0态转化为1态，或者从1态转化为0态的操作，同时会使量子比特进入叠加态。
控制 NOT 门则是一种通过控制二个量子比特之间的耦合关系，可以将其中一个量子比特翻转的操作。
2. 量子通信量子通信是建立在量子密集编码和量子纠缠的基础上的通信方式。
量子密集编码可以大大提高信息传输的速率，而量子纠缠则可以保证信息的安全性。
在量子密集编码中，发送方需要将两个量子比特制备成纠缠态，然后将其中一个量子比特发送到接收方。
接收方收到量子比特时，应用恰当的算法就可以从纠缠态中提取出信息。
量子密集编码可以大大提高信息传输的速率，但也具有很高的难度和技术要求。
在量子通信中，量子纠缠是保证通信的安全性而被广泛使用的技术。
量子纠缠是一种特殊的量子态，双方之间的信息传输可以通过使用量子纠缠来保证安全性。
即使第三方窃取了一部分纠缠态，也不能完全重建这个态，使得信息安全性得到保障。
3. 量子密码量子密码是量子通信的一个重要应用。
在量子密码中，发送方会将待发送的信息加密成一组量子比特，然后发送到接收方。
接收方接收到量子比特后，应用一组公布的协议来对其进行解密。
而这些协议只有发送和接收方之间才会知道，第三方无法插手和窃取信息。
量子论在社会生活中的应用
量子论在社会生活中的应用
量子论是描述微观世界中物质和能量相互作用的理论，它在社会生活中有许多应用。
以下是一些例子：
1. 量子计算：量子计算是一种基于量子力学原理的计算技术，它可以比传统计算机更快地解决某些问题。
量子计算机可以用于解决复杂的数学问题、优化问题和密码学等领域。
2. 量子通信：量子通信是一种基于量子力学原理的通信技术，它可以实现安全的通信。
量子通信利用量子态的特殊性质来保证通信的安全性，它可以防止窃听和破解。
3. 量子传感器：量子传感器是一种基于量子力学原理的传感器，它可以比传统传感器更精确地测量物理量。
量子传感器可以用于测量磁场、温度、压力和重力等物理量。
4. 量子成像：量子成像是一种基于量子力学原理的成像技术，它可以实现高分辨率的成像。
量子成像利用量子态的特殊性质来实现成像，可以用于生物医学成像、材料科学和地质学等领域。
5. 量子密码学：量子密码学是一种基于量子力学原理的密码学技术，它可以实现安全的密码传输。
量子密码学利用量子态的特殊性质来保证密码的安全性，可以防止窃听和破解。
总之，量子论在社会生活中有许多应用，它可以为我们提供更快速、更安全和更精确的技术。
随着量子技术的不断发展，相信它将会在更多的领域得到应用。
量子信息在生活中的10大应用
量子信息在生活中的10大应用量子信息技术是近年来发展最快的领域之一，它利用量子力学中的特殊性质，实现了在信息处理和通信等方面的突破。
下面我们将介绍10个量子信息在生活中的应用。
1. 量子密码学量子密码学是利用量子态的不可复制性来保护信息的安全。
它可以防止黑客攻击和窃取信息。
目前，已经有一些商业化的量子密码学应用出现，例如，银行系统、政府机构等领域都开始采用量子密码学。
2. 量子随机数生成随机数在密码学、模拟等领域中具有重要作用。
传统的随机数生成方法很容易被攻击，而量子随机数生成则具有不可预测性和不可猜测性，极大地提高了随机数的安全性。
3. 量子模拟量子模拟是利用量子计算机模拟量子系统的行为。
在材料科学、化学、生物学等领域中，量子模拟可以帮助科学家预测分子结构和反应过程，从而加速新材料和新药物的研发。
4. 量子通信量子通信是一种基于量子力学的通信方式。
它具有高速度、高安全性和高可靠性的特点，可以用于银行、政府、交通等领域的保密通信。
5. 量子雷达量子雷达利用量子纠缠态的特殊性质，可以实现更高精度的目标定位。
它可以用于军事、航空航天等领域，提高目标定位的精度和可靠性。
6. 量子计算量子计算机的计算能力远超传统计算机。
它可以用于解决一些传统计算机无法处理的问题，例如分解质因数、模拟量子系统等。
在未来，量子计算机有望成为人工智能、机器学习等领域的重要工具。
7. 量子传感器量子传感器利用量子效应来测量物理量，例如温度、压力、磁场等。
与传统传感器相比，量子传感器具有更高的灵敏度和更快的响应速度，可以用于医疗、环境监测等领域。
8. 量子图像处理量子图像处理是将量子计算机的优势应用到图像处理领域。
它可以实现更快的图像处理速度和更高的图像处理精度，可以用于医疗、安防等领域。
9. 量子定位量子定位是一种利用量子力学的方法，可以实现更高精度的目标定位。
它可以用于军事、航空航天等领域，提高目标定位的精度和可靠性。
10. 量子生物学量子生物学是将量子力学的理论和技术应用到生物学领域。
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量子密码与量子通信
作者：孔洁
来源：《中国科技纵横》2019年第21期
摘要：量子密码不同于普通密码，是量子力学与经典密码学相互融合的产物。
它的安全性由量子力学基本原理保证，与攻击者的计算能力无关。
它的兴起对信息安全技术领域产生了非常重要的影响。
本文介绍了量子密码与普通密码的区别，量子密钥分配方案的基本原理，量子密码协议以及量子通信的2种方法。
关键词：量子密码;量子密钥分发;协议;量子通信
中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0024-02
密碼学广泛应用于军事、金融、信息保密等领域。
到目前为止，我们所用的文本、声音、图像等都是转换为0或1进行编码存储于计算机中。
人们用计算机所处理的数据依然是基于比特的。
因此我们将密码系统的实质归结为保护比特数据的安全。
早期的密码学主要基于数学的复杂性，破解一个密码系统，相当于解决一个具有一定复杂的数学问题，这类利用数学复杂性而生成的密码学称为经典密码学，与之相对应的就是量子密码学。
量子密码学依赖物理学原理，无条件地确保信息的安全。
它服从“一次一密”，每次向对方传送一个密钥，这个密钥要求是随机的，如果被外界探测到了，本次密钥就作废。
当用于编码的量子态被窃听，接收方所收到的量子态和发送方的量子态有所不同，这样就会导致其统计特性发生变化，从而被察觉。
1 量子密码协议
1.1 BB84协议
BB84量子密码协议是第一个量子密码通信协议，也是唯一被商业化实现的量子密钥分发协议。
BB84协议的关键在于：双方选取了2组非正交编码基。
窃听方无法获得一方传递给另一方的信息。
接收方根据测量数据计算相应的误码率，如果误码率高于某个阙值，就终止本轮协议，重新开始分发新的随机密钥。
如果能保证密钥长度尽可能的长，这种传递信息的方式与窃听者的破解能力没有任何关系，是无条件的。
1.2 B92协议
贝内特在1992年提出了B92协议，也就是量子密码分发协议。
B92协议中使用2种量子状态。
发送方发送状态|↑>和|>，接收方接受状态后选择基“+”或“×”来测量。
如果接收方测量得到的结果是|→>，就可以肯定发送方发送的状态是|>。
如果得到结果是|>，肯定接收到的状态是|↑>。
但如果接收方的测量结果是|↑>或|>，那么就不能肯定接收到的状态是什么。
然后，接收方告诉发送方，哪些状态得到了确定的结果，哪些状态不能肯定，但不告诉发送方它选择了什么样的基测量。
然后用那些得到了确定结果的基来编码，把“+”编为“0”，把“×”编为“1”，并用这串比特作为密钥。
这个协议的缺点是：只有无损耗的信道才能保证这个协议的安全性，否则，Eve把那些无法得到确定结果的状态截获，然后重新制备，得到确定结果的状态再发出去。
1.3 E91协议
E91协议最初是由欧洲的科研人员发表出来的，以EPR纠缠对为基础，因此我们也把它称为EPR协议，其安全性由Bell定理保证。
E91协议的实现包括信息传输和信息安全检测2次操作。
在E91协议中对窃听者是否存在的检测是通过Bell不等式对信道的安全性进行检测。
如果通信双方的探测结果没有违背贝尔不等式就证明EVE存在。
假如通信双方的探测结果不满足贝尔不等式，就说明信息传输信道中没有EVE的存在。
E91协议的实现流程为：
由纠缠源产生一对纠缠的粒子，其自旋为1/2，并发送给通信双方。
Alice从0、∏/4、∏/2的测量方向上随机选择测量基检测粒子的自旋状态。
Bob从中随机选择测量基检测粒子的自旋状态。
经过多次测量后，Alice和Bob公布自己的测量基，但不公布自己的测量结果，并使用选取了不同测量基的结果用于检测粒子是否是纠缠的。
当检测到粒子对无关联时，认为该纠缠是无效的，或者存在窃听者，放弃这次通信。
若判定粒子对是相互纠缠的，并且没有窃听者存在，则使用选取了相同测量基的测量结果用于生成密钥。
E91协议安全性能好，因为量子比特在传输中的量子态无法准确给定，必须经过信息接收者的测量才能确定其量子状态，因此即使EVE截获了通信双方传输的纠缠态，也无法获得准确的量子信息。
2 量子通信
量子通信是信息科学与量子物理相结合的产物，经典密码学并不能保证通信的安全性，量子通信是根据量子的基本理论，所以具有很高的安全性。
如果有窃听存在，就会引起误码，从而被通信双方发现。
目前有可能实现的量子通信方式是量子密钥分发，即：先通过量子密钥分发完成绝对安全的密钥分发，再以“一字一密”的方式进行保密通信。
量子密钥分发主要包括准备-再测量-基于纠缠源。
量子通信分为2种：量子密钥分发和量子隐形传态。
量子密钥分发的特点是利用量子的不可克隆性，对信息进行加密。
量子隐形传态则是利用量子的纠缠态来传输量子比特。
2.1 量子密钥分发
所谓量子密钥分发就是利用量子力学的特性保证通信的安全。
通信的双方产生一个随机且安全的密钥加密和解密信息。
原理是：只要对量子系统测量，就会对系统产生干扰，传统的密码学没有办法察觉到窃听者，也就无法保证密钥的安全。
量子密钥分发只产生和分发密钥，不传输真正的信息。
信息可用某些加密算法进行加密，加密后的信息能够在标准信道中进行传输。
量子密钥分发最常见的相关算法是一次性密码。
如果使用保密而随机的密钥，这种算法是安全的。
在实际运用中，量子密钥分发常常用于对称密钥加密的加密方式。
量子通信中，消息编码为量子状态，也称量子比特，而传统通信中，消息编码为比特。
一般情况下，光子被用来制备量子状态。
窃听者策略：
将甲方发来的量子比特进行克隆，再发给乙方，但量子不可克隆性确保窃听者无法克隆正确的量子比特序列，因而也无法获得最终密钥。
窃听者随机选择检偏器，测量每个量子比特所编码的随机数，然后将测量后的量子比特冒充甲方的量子比特序列发送给乙方。
按照量子力学的假设，测量必然会干扰量子态，因此这个冒充的量子比特与原始的量子比特可能不一样，这将导致甲乙双方形成的随机数序列出现误差，他们经由随机对比，只要发现误码率高，就知道窃听者存在，这样的密钥不安全。
只有当确认无窃听者存在，密钥才是安全的，接下来便可用此安全密钥进行一次一密的保密通信。
存在的问题：
这种保密通信，密钥由QKD生成，如果窃听者不停地窃听，甲乙双方就无法获得安全的密钥，通信就无法进行，QKD也无能为力。
它唯一的优势就是断定是否有窃听者存在。
2.2 量子隐形传态
量子隐形传态就是由经典通道和EPR通道传送量子态。
传输的是量子态携带的量子信息。
在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态可从一个地方到达另外一个地方。
如果要实现量子隐形传态，接收方和发送方必须共享一对的EPR。
发送方把自己的EPR 和要发送信息所在的粒子进行测量，接收方的EPR会缩为另一状态，然后发送方将测量结果通过信道传送给接收方。
接收方收到后，根据这条信息对自己EPR做相应幺正变换就可以恢复原来的信息。
接收方根据这些信息构造出原子态的全貌。
量子隐形传态的原理是：将传送的量子态与EPR对中一个粒子进行贝尔基测量，此时未知态的全部量子信息将会转移到EPR对的第二个粒子上面。
依据传统通道传送的贝尔基测量结果，对EPR的第二个粒子的量子态进行适当的幺正变换，就可以使这个粒子处于与待传送的未知态完全相同的量子态，在EPR的第二个粒子上实现对未知态的重现。
量子隐形传态是量子通信中最简单的一种，量子通信可以做到泄密，保护用户的通信安全。
由于量子具有不可再分、不可复制的特性，在传输中如果受到干扰它就会改变状态，从而接收方就会知道。
除了在保护通信安全的前提下，量子通信还有反窃听的功能。
一旦有窃听者存在，信息就会被偷听动作改变，从而保证信息的绝密。
量子密码通信还有很多需要深入研究的内容。
目前比较成熟的是：利用量子器件产生随机数当做密钥，利用量子通信分配密钥，最后按“一次一密”方式来进行加密。
量子的作用主要是产生密钥和分配密钥，而加密还是采用的传统密码。
量子通信作为一种新型通信手段，因其速度快、保密性强、存储能力大、信息效率高、信噪比低等独特的优点，得到了国内外广泛关注，作为一门新兴学科，，量子通信打破了传统的通信方式，该技术在隐身传输和加密安全领域取得了令人瞩目的成绩，是今后世界通信领域的热点，必将有着广阔的前景。
参考文献
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[4] Atul.密码学与网络安全[M].清华大学出版社，2016.
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