密码与安全新技术专题之量子通信

学号 2018-2019-2 《密码与安全新技术专题》第3周作业

课程：《密码与安全新技术专题》

班级： 1892
姓名： 李熹桥
学号：20189214
上课教师：孙莹
上课日期：2019年3月12日
必修/选修： 选修

1.本次讲座的学习总结

量子

概念：一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。量子化指其物理量的数值是离散的，而不是连续地任意取值。

• 量子不是具体的实体粒子。
• 量子是能表现出某物理量特性的最小单元。
• 量子是能量动量等物理量的最小单位。
• 量子是不可分割的。

量子纠缠

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。
量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。在经典力学里，找不到类似的现象。

BB84

BB84协议和之后改进的BBM92，和2012年的MDI协议是国际上通用的量子密钥分发协议，从1984年国际上提出以来，增加安全通信距离、提高安全成码率和提高现实系统安全性，成为开发实用性量子密钥分发的三大目标。
流程：

1. 单光子源产生一个一个的单光子；
2. 发送方Alice 使用偏振片随机生成垂直、水平、＋45°或－45°的偏振态，将选定偏振方向的光子通过量子通道传送给接收方Bob；
3. Bob 随机选用两种测量基测量光子的偏振方向；
4. Bob 将测量结果保密，但将所用的测量基通过经典通道告知Alice；
5. Alice 对比Bob选用的测量基与自己的编码方式，然后通过经典通道告诉Bob哪些基和她用的不同；
6. Bob 扔掉错误基的测量结果(统计上会扔掉一半的数据)；
7. Alice 和Bob选取一部分保留的密码来检测错误率，如果双方的0、1序列为一致，则判定没有窃听者Eve窃听，剩下未公开的比特序列就留作量子密钥本。

结论：量子通信的密码不是预先规定死的，而是在通信的时候随机产生的。不可能被窃听，不可能被破解。 量子通信可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。
原因：
在BB84 协议中，所采用的线偏振和圆偏振是共扼态，满足测不准原理。
根据测不准原理，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对原来量子状态产生改变，而合法通信双方可以根据测不准原理检测出该扰动，从而检测出与否存在窃听。另外，线偏振态和圆偏振态是非正交的，因此它们是不可区分的，攻击者不可能精确地测量所截获的每一个量子态，也就不可能制造出相同的光子来冒充。测不准原理和量子不可克隆定理保证了 BB84 协议量子通信的无条件安全性。
示例图

量子密码基本模型

基本步骤

1. 信息传输

• 量子信道（可窃听和篡改）
• 经典信道（可窃听无法篡改）

1. 窃听检测
2. 纠错

• 设定噪声阈值，当错误率高于这个阈值时丢弃通信数据，反之保留。

1. 保密增强

   纠错和保密增强都是解决噪声问题。

2.学习中遇到的问题及解决

• 问题1：BB84协议中对量子传输以及无法被复制等物理特性理解不透彻
• 问题1解决方案：通过查找相关知识的博客论坛。

3.本次讲座的学习感悟思考等

历史上在1994年，Peter Shor发现了多项式时间量子计算机算法，它解决了公钥加密相关群体中的整数分解问题和离散对数问题。因此，一旦可以构建足够大的量子计算机，当前在实践中使用的所有公钥密码系统将变得不安全。当前量子通信只是实现了密钥分发这一过程，速率还较慢，但满足一次一密的标准有着较强的保密性。

4.后量子密码学

自20世纪70年代后期发明以来，公钥加密技术已成为网络安全的主要推动者。例如，每天保护数十亿Internet连接的TLS协议的安全性依赖于公钥加密和数字签名。试图找到可证明抵抗量子计算机攻击的算法问题很困难。因此，论文中提出唯一可行的策略是识别对量子计算机攻击的抵抗是合理的算法问题。这种合理性目前基于两个论点。第一个论点是，科学界试图找到这些问题的多项式时间量子算法已经很长时间了。第二个论点是认为NP难问题抵抗量子攻击。某些复杂性理论论证证明了这个观点（旅行商问题）。这表明基于NP难问题来构建后量子方案是合理的。但是，这种方法存在问题。目前学界还在讨论的后量子方案候选人的安全性是基于NP难问题的子问题，如有求解有限域上的多元二次方程，有限域解码，格子中的短矢量，加密哈希函数这些问题本身并未被证明是NP难问题。

参考资料

• Afterpulse Analysis for Quantum Key Distribution
• 基于椭圆曲线等效的FPGA上量子密码学
• 量子加密：公钥分配和抛硬币
• 论超奇异同源密码系统的安全性
• 后量子密码学