量子密碼術:幫「鮑勃」和「愛麗絲」傳悄悄話

2020-12-05 中國新聞網

　　量子密碼術：幫「鮑勃」和「愛麗絲」傳悄悄話

　　本報記者 聶翠蓉

　　鮑勃與愛麗絲，他們是誰？兩人什麼關係？是不是遠隔異地的戀人，每天有說不完的悄悄話？

　　其實這兩個名字，只是在密碼學和電腦安全中的慣用角色，他們不一定是「人類」，有可能是一個電腦程式。

　　上世紀80年代，量子物理學家發現，利用量子力學的基本原理，可以保證信息從鮑勃傳給愛麗絲的安全性，這就是「量子密碼術」。近日，科技日報記者採訪了南京郵電大學盛宇波博士，請他介紹了鮑勃與愛麗絲如何利用這些量子技術進行安全對話。

　　量子密鑰分發——

　　最接近實用化的量子技術

　　量子通信就是利用量子力學基本原理實現信息的傳輸，而量子保密通信是量子通信的最主要分支，是以保密通信為主要任務，包括量子密鑰分發、量子秘密共享和量子安全直接通信三個主要方向。而量子安全直接通信是唯一一個由我國科學家龍桂魯教授獨創的技術，盛博士長期從事這方面的研究。前不久，清華大學的張巍與盛宇波等科學家合作，在兩公裡的環形光纖中首次實現500米範圍內的量子安全直接通信，將該技術向實用化進程再次推進。

　　盛博士介紹，量子密鑰分發模式在1984年創立，當時兩位科學家班尼特和布拉薩德提出了第一個量子密鑰分發協議(BB84協議)，之後Bennett-92、Ekert-91、BBM92等協議相繼提出。目前已經在實驗中實現了400公裡的量子密鑰分發，是最接近實用化的量子技術。我國的量子京滬幹線、量子科學實驗衛星等的科學目標之一也是量子密鑰分發。

　　當鮑勃與愛麗絲相互發送信息時，量子密鑰分發技術通過分發量子密鑰能判斷是否被竊聽，如果沒有被竊聽，鮑勃會將信息發送給愛麗絲，如果被竊聽，「他」會放棄傳輸數據。

　　量子秘密共享——

　　鮑勃與愛麗絲間的第三者

　　量子秘密共享模式在1999年由三位科學家建立，他們提出了這種模式的第一個協議。該技術與量子密鑰分發有很大類似性，可以看成是多方參與的量子密鑰分發模式。

　　在量子秘密共享中，鮑勃在發送信息給愛麗絲的時候，為了給信息加密，「他」會在分發密鑰給愛麗絲的同時，也將密鑰分發給第三方，愛麗絲需要與第三方合作，才能破譯鮑勃的密鑰，獲得傳過來的信息內容。

　　因此，量子秘密共享模式傳輸的也是隨機密鑰，需要再使用經典通信才能完成信息傳送。而量子密鑰和量子秘密共享兩種技術存在一個問題，人們總是在信息洩露發生之後才能發現竊聽存在，而此時竊聽者已然獲得了信息。為解決這個問題，物理學家們使用一種叫做「一次一密」的方法來加密原始信息，但加密後的信息通過普通而非量子的通信信道來傳送並解密。

　　量子安全直接通信——

　　在信息洩露前發現竊聽

　　如果物理學家們能夠在發送信息之前確保信息傳輸的安全，能否不使用「一次一密」的方法？2000年，清華大學龍桂魯教授首創了量子安全直接通信的模式，不需事先建立密鑰，可利用兩個糾纏粒子的量子原理直接傳輸秘密信息，既能發現竊聽，還能保證發現竊聽之前的信息不洩露。

　　盛博士介紹了該技術的保密原理。信息發送者愛麗絲留有每對糾纏中的一個光子，把另外一個光子發送給信息接受者鮑勃。鮑勃把他收到的光子隨機分成兩組，測量其中的一組光子並把測量結果公開發給愛麗絲。愛麗絲根據測量結果核對傳輸後的粒子狀態有沒有被改變，如果改變了，那麼說明被竊聽了。如果沒有被竊聽，那麼愛麗絲和鮑勃就可以用剩下來的光子來直接傳輸安全信息。

　　盛博士表示，通過理論分析，他們的系統可以實現幾十公裡的量子安全直接通信。這種方式既可同時作為密鑰分發，還可用於構造量子對話、量子籤名等新協議，是多用途的量子通信基本協議。

　　(科技日報北京11月27日電)

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    而量子力學中，兩個狀態可以通過疊加產生新的狀態，所以量子比特可以取0和1的任意線性組合（這裡的0和1就不是一個數字，而是代表一個狀態了）。量子力學實驗中常常將理論上的過程人格化為「愛麗絲」和「鮑勃」。在這裡，他們讓愛麗絲帶著量子比特回到過去，同時將信息加擾，這個過程稱為「反演」。而在過去，鮑勃則作為一個半路殺出的「程咬金」，測量愛麗絲的量子比特，使其發生改變。最後由愛麗絲將量子比特又從過去帶回來。假如發生蝴蝶效應，那麼愛麗絲的量子比特攜帶的原始信息會產生指數級別的改變。
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