技術前沿：“絕對安全”的量子密碼_GAT

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人們說量子密碼具有絕對安全性，意思是指量子密碼不可能用數學方法破解，要竊密只能用物理方法攻擊設備。在對傳統密碼的破解中，主要考慮數學破解，是因為用數學就“有可能”破解它們，而不是“只有”用數學才能破解它們。量子密碼術和傳統密碼術的對比，是量子密碼術面臨的威脅只來自物理，傳統密碼術面臨的威脅來自數學加物理！也就是說，只要量子通信設備是可靠的，那么就絕對不會泄密。

人們說量子密碼具有絕對安全性，意思是指量子密碼不可能用數學方法破解，要竊密只能用物理方法攻擊設備。也就是說，如果設備是可靠的，那么就絕對不會泄密。

傳統密碼術

密碼術的基本目的是為了解決一個問題：如何在不安全的信道上，安全地傳輸信息？

解決辦法是通信雙方隱藏一些信息，在不安全的信道上只傳送密文，用這些隱藏信息把密文還原成明文。這些隱藏信息就叫作密鑰。所有的密碼術都包含兩個元素：密鑰和算法。

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現在的絕大多數加密方法，都是基于某種數學問題的單向困難性。也就是說，一個問題沿著正方向解決很容易，你可以用它來加密，但逆方向就很困難，導致破解很困難。

現在最常用的密碼體系——RSA密碼體系的三位發明者

為什么許多曾經被認為牢不可破的密碼體系，最終都被破解了呢？有一個深刻的原因是，在數學上，任何一個實際在用的問題都沒有被證明是單向困難的。實際上，就連單向困難的數學問題是否存在，我們都還不知道。

　　因此，我們應該有個基本的概念：所有基于數學的密碼的安全性，都是未經證明的！到目前為止，唯一的已經證明不可能被數學破解的密碼就是量子密碼。因此，量子密碼的價值一目了然。

北京市委書記蔡奇：圍繞區塊鏈等技術，加緊布局數字新基建:金色財經報道，北京市委書記蔡奇強調，緊抓數字產業化和產業數字化趨勢，重點圍繞人工智能、云計算、區塊鏈、大數據等，加緊布局數字新基建，打造一批帶動性強、示范性好的場景標桿，探索數字孿生城市建設。堅持一年一個節點，保持每年千億以上投資強度，全面拉開副中心城市框架。（北京日報）[2021/9/28 17:10:56]

量子密碼術

量子密碼術是怎么實現保密的呢？跟傳統密碼術一樣，也是通過算法和密鑰。實際上，量子密碼術用的算法還是個特別簡單的算法，簡單到三言兩語就能說清楚。

任何一串信息，都可以表示成一串二進制字符，即一串0和1。對這個01字符串的每一位數字a，我們都給它一個對應的密鑰k，這個k也是一個0或1的數字。根據a和k，就可以算出對應的密文b，它也是一個0或1的數字。

對應的規則是：如果k=0，那么b就等于a；如果k=1，那么b就等于0和1中不等于a的那一個。也就是說，k=0就把0變成0，1變成1，而k=1就把0變成1，1變成0。再簡單一點說，k=0就不變，k=1就將0和1互換。這個算法叫作“異或”。

多倫科技：擬建設機動車智慧檢測大數據中心 逐步引入區塊鏈等新技術:多倫科技（603528.SH）發布第三屆董事會第二十八次會議決議公告，公司擬建設機動車智慧檢測大數據中心，逐步引入5G、人工智能、區塊鏈、邊緣計算等新技術支撐能力，強化設計、檢測、運維、管理等全流程數字化功能集成，提升公司在車檢領域的核心競爭力。（證券時報）[2020/6/6]

你也許會感到奇怪，那么多復雜的算法都保不了密，這個最簡單的算法憑什么可以？

訣竅不在于算法，而在于密鑰。請注意，這里的密鑰不是只有一位數字。如果只有一位數字，那當然完全沒有保密效果。實際情況是，對于原文的每一位，都相應地有一位密鑰。也就是說，如果原文的長度是n位，那么密鑰的長度也是n位。如果原文像《紅樓夢》那么長，那么密鑰也需要這么長。

《紅樓夢》

另外，這串密鑰的字符串還必須是個隨機的字符串。也就是說，每一位都是隨機的0或者1，任意兩位數之間，沒有任何聯系。

動態 | 巴基斯坦總理舉行關于管理區塊鏈技術的政府會議:據Cointelegraph4月18日消息，巴基斯坦總理舉行了關于管理區塊鏈技術的政府會議。在會議上，巴基斯坦總理伊姆蘭汗談到了諸如政府流程數字化以及區塊鏈技術對其運營效率和透明度的影響等問題。同時，他還強調了根據政府的愿景消除官僚主義和改善一般服務提供的潛力。會議還提到了該國的下一代商業平臺，據稱可以促進與巴基斯坦貿易伙伴的商業效率。總理表示：“數字化還將在政府組織之間創造急需的協同效應，以確保順利提供服務并提高在該國開展業務的便利性。”[2019/4/18]

此外，這么長的密鑰，還只能用一次。也就是說，你這次用n位的密鑰傳輸n位的原文，下次你傳同樣的內容，還必須從頭再來，重新構造n位的密鑰，千萬不能把原來的密鑰再用一次。這叫作“一次一密”。

量子密碼術中的密鑰就是滿足這樣3個條件的字符串：長度跟明文相等，隨機，一次一密。

為什么要這樣做呢？因為這樣就絕對不會被數學方法破譯。為什么不可能被破譯？因為這樣的一段密文，可能對應任何的一段跟它等長的明文，而且概率相等。比如說，既可能對應“明天上午向東進攻”，也可能以同樣的概率對應“后天下午向西撤退”或“飛出地球移民宇宙”……

聲音 | 韓國科學技術院教授：解除國內ICO的限制可以提高就業:據Money Today消息，KAIST（韓國科學技術院）商學院教授Lee Byung-tae在一次論壇中表示，93％的國內ICO的資金募集都是在海外進行的，如果解除國內ICO的限制，可以通過區塊鏈和加密貨幣提高就業。[2018/10/8]

對這樣沒有任何偏向性的密文，數學分析完全無從下手，因為這里根本就沒有一個讓你解決的數學問題。

長度跟明文相等、隨機、一次一密，滿足這3個條件的密鑰叫作“一次性便箋”。因此，密碼學中一個重要的定理就是：用一次性便箋加密的密文，是絕對不可破譯的。這條定理是信息論的創始人克勞德·香農證明的。

克勞德·香農

值得注意的是，一次性便箋中的3個條件缺一不可。無論是密鑰長度小于明文，還是密鑰的各位之間有聯系，還是同一串密鑰用了兩次，都會導致密文呈現某種結構，這樣對手就有了著力之處，就可能通過頻率分析之類的手段破解密碼。

一次性便箋方法早在第一次世界大戰的末期就發明了，但很少實際應用。原因是，傳送這樣大量的密鑰非常困難。如果像《紅燈記》《潛伏》等諜戰片一樣，派信使去傳密鑰，那么一旦信使被抓或叛變，損失將十分巨大。因此，一次性便箋方法只用在不惜任何代價要保證信息安全的地方，例如國家元首之間的通話。

量子密碼術改變了這種狀況，它的辦法是：用量子力學的物理方法，在通信雙方之間產生一次性便箋密鑰。這里的關鍵是：雙方同時獲得了密鑰！沒有第三者信使在中間傳輸！

這是非常巧妙的思想，是量子力學創造的奇跡。量子密碼術的技術含量，就是表現在這里。量子密鑰的產生過程，同時就是分發過程，因此量子密碼術又有個專業名稱，叫作“量子密鑰分發”。

量子密鑰分發

那么，量子密碼術是怎么實現無信使的密鑰分發的呢？一個簡略的解釋是：量子密碼術利用了量子力學中的兩個原理，一個是疊加原理，另一個是測量可能導致狀態突變。基于這兩個原理，通過發射和接收一系列處于隨機狀態的單光子，來使通信雙方獲得一串相同的隨機字符串。這串隨機字符串就是一次性便箋密鑰。

量子力學中的疊加

量子力學中的測量

通過一系列操作以后，雙方都獲得了一串隨機的0和1，比如說0010111001001010101……最重要的是，雙方的這個字符串完全一樣。這就是最終的效果。

有了密鑰之后，就用“異或”加密算法，用密鑰把明文加密成密文，把密文發送出去。既然密文已經是不可破譯的了，這一步就不需要任何特別的設備，直接在傳統信道上大搖大擺地走就是了，敵方截獲也無妨。

一個常見的誤解，是以為最后的信息傳送要通過某種量子信道。當他們知道傳統信道就行的時候，就感到大惑不解，甚至以為搞量子通信的都是騙子。

另一個常見的誤解，是以為密鑰也要通過傳統信道傳輸。這是絕對不可能的，如果要將密鑰通過不安全的信道發出去，那就完全失去了保密的意義。任何密碼系統都不會愚蠢到這種程度。

總結一下，量子密碼術真實的做法是：用量子信道產生密鑰，用傳統信道傳送密文。你也許想問：既然量子信道可以保證不泄密，那為什么不直接用量子信道傳輸信息，而只是傳輸密鑰呢？因為這種量子力學的操作只能產生隨機字符串，隨機字符串的信息量是零，所以這種操作本身不能傳輸信息。因此，這種方法的提出者在很長時間內想不出它有什么用，直到發現這段隨機字符串可以作密鑰，才讓這種方法有了用武之地。

量子密碼的攻防

如果需要破解量子密碼，又該怎么辦呢？基本的框架其實很簡單。既然數學方法不可能破譯量子密碼，那么唯一的途徑當然就是物理方法，用各種手段入侵量子通信設備。

在對傳統密碼的破解中，主要考慮數學破解，是因為用數學就“有可能”破解它們，而不是“只有”用數學才能破解它們。

因此，量子密碼術和傳統密碼術的對比，并不是前者的威脅只來自物理，后者的威脅只來自數學。應該是量子密碼術面臨的威脅只來自物理，傳統密碼術面臨的威脅來自數學加物理！

量子密碼術現在的研究前沿，就是在假定敵方成功地進行了若干種物理攻擊的前提下，仍然能夠保證信息不泄露。

一個研究前沿叫作“測量儀器無關的量子密鑰分發”。這個術語的意思是，即使敵方獲取了我們的測量儀器，我們仍然有辦法及時發現并中止生成密鑰，從而避免泄露信息。這方面的實驗驗證已經成功，下一步是提高成碼率的問題。在這個領域，中國也走在世界前列。

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