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鲍勃与爱丽丝的悄悄话——专家详解“量子密码术”

责任编辑:张玮     2017-11-27 20:03:05        来源:科技日报

    鲍勃与爱丽丝,他们是谁?两人什么关系?是不是远隔异地的恋人,每天有说不完的悄悄话?

    其实这两个名字,只是在密码学和电脑安全中的惯用角色,他们不一定是“人类”,有可能是一个电脑程序。

    上个世纪80年代,量子物理学家发现,利用量子力学的基本原理,可以保证信息从鲍勃传给爱丽丝的安全性,这就是“量子密码术”。近日,科技日报记者采访了南京邮电大学盛宇波博士,请他介绍了鲍勃与爱丽丝如何利用这些量子技术进行安全对话。

    量子密钥分发——最接近实用化的量子通信技术

    量子通信就是利用量子力学基本原理实现信息的传输,而量子保密通信是量子通信的最主要分支,是以保密通信为主要任务,包括量子密钥分发、量子秘密共享和量子安全直接通信三个主要方向。而量子直接安全通信是唯一一个由我国科学家龙桂鲁教授独创的技术,盛博士长期从事这方面的研究。前不久,清华大学的张巍与盛宇波等科学家合作,在两公里的环形光纤中首次实现500米范围内的量子安全直接通信,将该技术向实用化进程再次推进。

    盛博士介绍,量子密钥分发模式在1984年创立,当时两位科学家班尼特和布拉萨德提出了第一个量子密钥分发协议(BB84协议),之后Bennett-92,Ekert-91,BBM92等协议相继提出。目前已经在实验中实现了400公里的量子密钥分发,是最接近实用化的量子技术。我国的量子京沪干线、量子科学实验卫星等的科学目标之一也是量子密钥分发。

    当鲍勃与爱丽丝相互发送信息时,量子密钥分发技术通过分发量子密钥能判断是否被窃听,如果没有被窃听,鲍勃会将信息发送给爱丽丝,如果被窃听,“他”会放弃传输数据。

    量子秘密共享——在鲍勃与爱丽丝之间引入第三者

    量子秘密共享模式在1999年由三位科学家建立,他们提出了这种模式的第一个协议。该技术与量子密钥分发有很大类似性,可以看成是多方参与的量子密钥分发模式。

    在量子秘密共享中,鲍勃在发送信息给爱丽丝的时候,为了给信息加密,“他”会在分发密钥给爱丽丝的同时,也将密钥分发给第三方,爱丽丝需要与第三方合作,才能破译鲍勃的密钥,获得传过来的信息内容。

    因此量子秘密共享模式传输的也是随机密钥,需要再使用经典通信才能完成信息传送。而量子密钥和量子秘密共享两种技术存在一个问题,人们总是在信息泄露发生之后才能发现窃听存在,而此时窃听者已然获得了信息。为解决这个问题,物理学家们使用一种叫做“一次一密”的方法来加密原始信息,但加密后的信息通过普通而非量子的通信信道来传送并解密。

    量子安全直接通信——能在信息泄露之前发现窃听

    如果物理学家们能够在发送信息之前确保信息传输的安全,能否不使用“一次一密”的方法?2000年,清华大学龙桂鲁教授首创了量子安全直接通信的模式,不需事先建立密钥,可利用两个纠缠粒子的量子原理直接传输秘密信息,既能发现窃听,还能保证发现窃听之前的信息不泄露。

    盛博士介绍了该技术的保密原理。信息发送者爱丽丝留有每对纠缠中的一个光子,把另外一个光子发送给信息接受者鲍勃。鲍勃把他收到的光子随机分成两组,测量其中的一组光子并把测量结果公开发给爱丽丝。爱丽丝根据测量结果核对传输后的粒子状态有没有被改变,如果改变了,那么说明被窃听了。如果没有被窃听,那么爱丽丝和鲍勃就可以用剩下来的光子来直接传输安全信息。

    盛博士表示,通过理论分析,他们的系统可以实现几十公里的量子安全直接通信。这种方式既可同时作为密钥分发,还可用于构造量子对话、量子签名等新协议,是多用途的量子通信基本协议。(本报记者 聂翠蓉)

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