即時：量子加密，安全之“盾”
原文標(biāo)題：《量子加密都不懂，還說你是通信人？》
在我們網(wǎng)上轉(zhuǎn)賬、網(wǎng)購血拼時候，有想過自己的信息是否安全嗎？擔(dān)不擔(dān)心突然有一天，有人破解了你的銀行卡密碼，讓你的錢不翼而飛~
(資料圖片僅供參考)
所以為了時刻保證我們的信息安全，所有的信息加密算法都在不停的升級。
首先，我們介紹一下傳統(tǒng)通信是怎么實(shí)現(xiàn)信息加密的：
傳統(tǒng)通信加密過程如下：
傳統(tǒng)通信加密過程
1、發(fā)送方寫好明文，并通過加密算法和密鑰將明文編制成密文。
2、密文被傳送到接收方。
3、接收方通過解密算法和密鑰，把密文翻譯還原成明文。
由此可見，在加密通信過程中，“密鑰”是非常重要的。
以目前在保護(hù)我們“電子錢包”的 RSA 密鑰為例，要想破解 RSA 加密的秘鑰，就要用很暴力的方法將一個超級大的數(shù)字（比如有 1024 位）分解成兩個質(zhì)數(shù)的乘積，用我國的超級計算機(jī)“太湖之光”也要破解幾十年。
看到這里是不是覺得“高枕無憂”了呢？不要掉以輕心！量子計算的時代已經(jīng)拉開序幕，運(yùn)用量子計算機(jī)，別說 1024 位的密鑰了，破解 2048 位的密鑰就只需要幾秒鐘！
當(dāng)計算不再是問題，信息安全就成了問題。
如果說量子計算機(jī)將是刺穿現(xiàn)有加密系統(tǒng)的“矛”，那么以后我們要怎么保護(hù)我們的錢包和羞于見人的小秘密呢？難道就只能聽之任之嗎？
當(dāng)然不是！能夠打敗魔法的只有魔法，量子加密就是量子計算機(jī)也不可擊破的安全之“盾”。它是一種不可竊聽、不可破譯，是一種無條件安全的通信加密方式。
那么接下來，小編帶著大家一起走近它吧！
01、量子是個啥？
為了不把大家嚇跑，我們可以這樣簡單理解，量子是物理界最小的不可再分的基本單位，比如光的最小單位就是光子即“光量子”，就是一種量子。
02、量子加密與傳統(tǒng)加密有什么區(qū)別？
剛才我們提到了傳統(tǒng)通信中“密鑰”的重要作用，量子加密的優(yōu)勢就在于它的終極秘寶“量子密鑰”！
量子密鑰跟目前的普通密鑰相比，更加安全、可靠、不可破譯。
簡單來說量子加密通信分兩步。
1、通過量子信道進(jìn)行量子密鑰分發(fā)。量子衛(wèi)星發(fā)送一對完全隨機(jī)且只有通信雙方知道的量子密鑰，在這一步中，只產(chǎn)生和分發(fā)密鑰。
2、通過傳統(tǒng)信道進(jìn)行密文傳遞。利用獲得的量子密鑰，發(fā)送方把信息進(jìn)行加密變成一段密文，接收方將收到的密文解密，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信的完全保密。
03、“量子密鑰”如此靠譜？為啥嘞？
真的如此靠譜！如此靠譜正是依靠量子的隨機(jī)性和不可復(fù)制性。
隨機(jī)性
在量子密鑰分發(fā)過程中，量子衛(wèi)星隨機(jī)發(fā)送不同偏振狀態(tài)的成對光子（也可稱為光量子，是一種量子）。
為測量量子衛(wèi)星發(fā)送的光子狀態(tài)，作為接收端的通信雙方就要設(shè)置測量基，對于每一個發(fā)來的隨機(jī)偏振狀態(tài)的光子，接收端都要隨機(jī)擺放一次測量基來進(jìn)行測量。
當(dāng)測量基每收到一個光子，就要根據(jù)以下條件，來判斷接收到的信息是 1 還是 0。
量子衛(wèi)星發(fā)來的光子偏振狀態(tài)
接收端測量基的擺放狀態(tài)
那么，衛(wèi)星發(fā)送的光子偏振分為幾種狀態(tài)？
接收端的測量基又分為幾種狀態(tài)？
又是如何判斷接收到的信號是 0 還是 1 的呢？
發(fā)送端發(fā)送光子的偏振狀態(tài)有四種：90° 偏振、0° 偏振、45° 偏振、135° 偏振。
發(fā)送端-光子偏振狀態(tài) | |||
0° 偏振 | 90° 偏振 | 45° 偏振 | 135° 偏振 |
接收端的測量基的狀態(tài)有兩種：正放、斜放。
接收端-測量基狀態(tài) | |
正放 | 斜放 |
通過上圖，可以看出：
0° 偏振和 90° 偏振的光子只能被正放的測量基識別，如果遇到斜放的測量基，光子就不能被識別。
45° 偏振和 135° 偏振的光子只能被斜放的測量基識別，如果遇到正放的測量基，光子就不能被識別。
那不能被識別咋辦呢？只能“認(rèn)倒霉”，并依靠量子的“神奇”特性 — 隨機(jī)性進(jìn)行隨機(jī)分配了。
對于不能識別的偏振光子，會隨機(jī)分配哪個代表 0 哪個代表 1，這也恰恰為量子密鑰超強(qiáng)保密性的“最強(qiáng)殺招”。
發(fā)送端 | 接收端 | |
光子偏振狀態(tài) | 測量基狀態(tài) （正放） | 測量基狀態(tài) （斜放） |
0° 偏振 | 1 | 0 or 1 |
90° 偏振 | 0 | 0 or 1 |
45° 的偏振 | 0 or 1 | 1 |
135° 的偏振 | 0 or 1 | 0 |
舉一個例子來說明：衛(wèi)星發(fā)送端隨機(jī)發(fā)送一系列不同偏振狀態(tài)的光子對，一組發(fā)送給 A，一組發(fā)送給 B。
為了便于理解，假設(shè)量子衛(wèi)星發(fā)送給 A、B 兩地的隨機(jī)糾纏量子對偏振方向均如下：
光子偏振 狀態(tài) （衛(wèi)星） |
A、B 接收端采用如下的隨機(jī)測量基進(jìn)行測量，可以分別得到：
測量基 狀態(tài) （A 端） | |||||
0 | 0 or 1 | 0 | 0 | 1 | |
測量基 狀態(tài) （B 端） | |||||
0 | 1 | 0 | 0 or 1 | 1 |
最后，通信兩端的 A 和 B 用傳統(tǒng)的通信方式，比如打個電話或者發(fā)個微信，溝通交流一下測量基是怎么擺放的“是正著放還是斜著放”。
隨后 A 和 B 把相同測量基對應(yīng)的信息保留，這些保留的信息我們稱之為“量子密鑰”！
因此，上面例子中的“量子密鑰”就是“001”，如下圖所示。
最終 密鑰 | 0 | - | 0 | - | 1 |
在這個傳統(tǒng)通信過程中根本不用擔(dān)心竊聽，因?yàn)榫退愀`聽，也只能得到通信雙方測量基哪些相同哪些不同，但是這對于竊聽者根本“沒有用”，除非他能夠竊聽到量子衛(wèi)星發(fā)往通信雙方的量子信號。
可能有人想問了，如果還是有厲害的人能夠竊聽到量子衛(wèi)星發(fā)往通信雙方的量子信號，咋辦？
答案是“絕對不可能！”這就不得不說一下量子的另一重要特性了~
不可復(fù)制性
因?yàn)榱孔泳哂胁豢蓮?fù)制性，即不可在不破壞其狀態(tài)的情況下，被復(fù)制或測量到，因而竊聽會被立刻察覺。
值得注意的是在量子衛(wèi)星在密鑰分發(fā)時，密鑰中每對量子都處于“糾纏”狀態(tài)，如果其中一個量子的發(fā)生改變，那么另一個量子的狀態(tài)也會相應(yīng)改變。
也就是說，如果竊聽者想要截獲量子密鑰，那么就需要測量量子信道中的量子信號，根據(jù)“不可復(fù)制性”，量子信號在測量過程中就會改變信號本身。
進(jìn)而會導(dǎo)致密鑰接收雙方收到的信號亂碼大增，從而暴露了自身竊聽的存在，可以說是“偷雞不成蝕把米”。
另外，每串秘鑰都是隨機(jī)產(chǎn)生的，一旦被竊聽，通信雙方馬上可以察覺，馬上換密碼，因此就實(shí)現(xiàn)百分百加密啦~
04、“量子加密”哪家強(qiáng)？
小編驕傲的說：只有我國才有世界領(lǐng)先的“秘密武器”——“墨子號”衛(wèi)星！墨子號量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，就是為了量子通信而研發(fā)。
目前量子通信已經(jīng)開始邁向?qū)嶋H應(yīng)用。
2017 年 9 月 29 日，世界首條量子保密通信干線 ——“京滬干線”正式開通?！熬删€”傳輸距離達(dá) 2000 多公里，途徑北京上海等多個城市，主要承載重要信息的保密傳輸。
“京滬干線”建成后，經(jīng)過了長達(dá)兩年多的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用示范以及大量的穩(wěn)定性測試、安全性測試及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究。結(jié)果表明，“京滬干線”可以抵御目前所有已知的竊聽攻擊，網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持 1.2 萬以上的用戶同時使用。
05、“量子加密”啥時候才能普及？
雖然我國量子通信已經(jīng)投入應(yīng)用，但是要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的通信還有很多困難。比如：
量子信道傳輸仍有距離限制：遠(yuǎn)距離傳輸帶來的信號消耗 —“信號傳著傳著就沒了......”。
量子通信衛(wèi)星的數(shù)量還很少：我國還需要發(fā)射更多的量子通信衛(wèi)星才能形成覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)。
目前我國科學(xué)家還在量子傳輸領(lǐng)域不斷突破，頻傳捷報。讓我們有理由相信讓量子通信走進(jìn)千家萬戶，雖任重道遠(yuǎn)卻不是遙不可及。
本文來自微信公眾號：中興文檔 （ID：ztedoc）
標(biāo)簽： 量子加密
