浅见：关于量子密码学

浅见：关于量子密码学

作为当前加密技术发展中的下一阶段, 量子密码学被视为一个重要的研究领域. 其基础原理源自于物理机理, 并涵盖了广泛的理论和技术要素. 这种基础技术和先进机理被用于构建两大重要安全体系: 一种是基于量子密钥分发的安全通信系统, 另一种则是建立在量子计算能力基础上的安全编码方案.

我们将深入阐述量子加密和密码学的相关内容，在本指南中。此外，在这篇中将探讨量子密码学的工作原理及其在现实世界中的具体应用。

解释量子密码学

该领域主要通过利用量子力学的核心理论与现代信息处理技术相结合的方式推进相关研究工作，并在这一过程中实现了对传统加密方法的有效补充与提升。
在这一过程中出现的安全性极其严格，
这使得来自同一系统内所共享的数据均具备高度的安全性，
从而能够确保数据的安全性得到充分保障。

即使黑客能够接入量子计算机及其相关软件组件，他们依然无法成功解密这里提供的加密信息。这是因为量子加密技术正是基于量子系统独特的多种特性以及"不变理论"原理的应用，在解密过程中难以实现有效的突破。

毫无疑问，在密码学领域中量子加密系统已经无与伦比地超越了当前广泛采用的传统加密方法，并显著提升了数据的安全性与可靠性。高级加密标准(AES)通过其强大的算法体系使得数据几乎无法被破解；然而，在现实中这种方法也没有完全消除所有潜在的安全漏洞。

Alice和Bob的出场（例子）

该方案通过举例说明了这一过程，并帮助读者更好地理解量子加密的核心机制。假设Alice想要向Bob发送一条信息。当Alice输入信息时，在使用偏振器使得每个光子的振动方向被设定为水平、垂直或±45°中的某一种类型之后即可完成编码过程。

在这个系统中，编码信息的关键是基于光子偏振方向的变化进行设置。一旦Bob接收到来自Alice的信息后（接收到来），他将推断出使用的偏振器类型，并成功解码其中的信息内容（解码信息）。在这里（在这里），Bob将推断出用于传输的具体光子案例（光子案例），并将其与Alice所生成的案例对应起来（与其相对应）。

在此示例中假设存在一名试图访问消息的人，在一个加密环境中我们通常称这种人为Eve她利用其极化装置获取信息若Eve尝试用极化装置解密消息Bob和Alice会指出这里存在差异这是因为无法通过非物理手段（如未动用或未修改光子属性）来更改其特征

基于这一后端原理，量子密码学得以发展，并作为保护数据、交易、通信以及信息安全的重要手段出现。

量子密码学的原理

量子密码学基于光子等单个光粒子来进行数据传输过程。这些数据被光纤系统负责携带到目标位置。每个光子对应一个二进制数值，在此过程中其安全性则直接依赖于量子力学原理的应用程度。

基于光子或光粒的方法具有显著效果。这是因为它们能够同时存在于多个空间位置，并且只有当量子状态未被更改时才能实现相应的变化与观测结果。这种情况下下的粒子也不可能被复制

在多个关键领域中, 量子密码学具备最强级别的安全保证. 有人可能会认为, 在量子密码学中所共享的密钥无法被破解的原因在于其安全机制的根本原因在于利用光子特性.

然而我们观察到了该系统提供的安全性的某些潜在的可能性目前尚无确凿的证据或明确的证明即使具备量子计算能力也难以对量子密钥进行解密

为了深入了解光子的相关细节，在量子密码学领域中

密钥表示采用二进制形式的标识符，并生成了一个完整的通信渠道。该渠道仅限于关联的两个参与者进行加密操作以实现数据的安全传递。量子计算加密方法类似于经典对称加密算法，在利用光子独特属性的基础上带来了显著的安全性提升。

二进制位经由光子转换而来，并赋予其独特的自旋特征。
这些自旋特征可以表现为垂直方向、水平方向以及右斜和左斜两种对角线方向。
这种特性赋予密钥独特的编码或加密属性。

海森堡的不确定性原理

这个原理揭示了我们无法准确测定物体的位置和动量。由此可见，在宏观世界中这一原则并不适用,因为其中的微小变化往往未被考虑进去。

但在微观世界中，在任何情况下都会导致重大的结果。因此，在量子计算以及密码学领域中，海森堡不确定性原理发挥着关键作用。

为什么对量子密码学有需求?

你是否听说过"需求驱动创新"这一说法？与"需要是发明之母"类似的是量子加密与密码学的发展历史。当量子计算技术发展起来后，在线性代数领域中使用的现有加密标准可能会面临挑战。

基于量子计算原理中的Shor算法，在密码学领域具有重要价值

AES的AES-64位和AES-128位在量子计算机的brute-force attacks下易遭受破坏。尽管它们尚未被破解,但brute-force attacks已削弱了它们的安全性。

这相当于将 AES-128 标准的强度降低为 AES-64 水平，并进一步将其与更弱的AES-64标准相比较; 同时这也意味着将原本采用AES-256级别的安全强度降低到了AES-128水平。尽管如此，在这种情况下,AES-128 标准仍能提供足够的安全性; 我们也可以认为,随着技术的发展,密码被量子计算机破解只是一个时间早晚的问题。

量子安全密码学和量子密钥分发(QKD)

量子加密和密码学产生了两个概念：

量子安全密码学

该领域研究出用于抗量子攻击的密钥生成方法及所需资源。这些方法旨在确保在当前及未来技术环境下保护所有数据的安全性。

这里的重点是量子计算机，因为它们具有更高的计算能力和可能性。

量子安全密码学也可称为后量子密码学。
目前,NIST正在致力于征求意见、评估与标准化抗量子公钥加密算法。
一旦这些算法获得批准并完成标准化,则可使相应的量子密码密钥可供公众使用。

量子安全密码学也可称为后量子密码学。
目前,NIST正在致力于征求意见、评估与标准化抗量子公钥加密算法。
一旦这些算法获得批准并完成标准化,则可使相应的量子密码密钥可供公众使用。

现有的加密标准如AES、ECC、RSA等都是基于数学方程生成密文。相比之下，在量子密码学中，则可以利用物理规律与数学模型来实现密钥管理。

量子密钥分发

量子密钥分发（QKD），主要通过光子的形式在光链路上传输数据。其目标是确保传输过程中的安全性，并保证通信过程中的安全性。这样的系统QKD则能够轻易地实现这一目标。

QKD基于其能够轻易识别入侵行为而展现出高级别的安全特性。这种独特的机制将作为警示提醒相关方或实体及时丢弃用于数据传输的密钥。

QKD是一种重要的通信介质。在众多量子密钥分发协议中我们可以筛选出合适的方案来应用该方法。然而该方法必须具备量子通道以及经过严格验证的经典通信渠道。

量子通信通过光子的形式传输光的状态,而经典通信则称为双方之间的通信渠道.

量子安全密码学“不可破解”吗?

每当涉及量子加密或密码学时，在理论层面总会提到量子力学定律。利用光子传递往返的加密密钥活动，在理论上是不可被跟踪的。

光纤线路是该系统的核心部件。我们已经探讨了所有光纤线路及其传输的安全性问题。然而，在这一部分中采用了替代方案进行通信操作：通过卫星交换密钥来进行通信操作。

在基于卫星的方法中，纠缠原理就会发挥作用。

在此稍作偏离，在量子纠缠的过程中，当两个粒子达到一定程度的量子纠缠时，则会导致它们进入相同的量子状态。一旦达到了这一程度，则会将其传递给其他人或其他相关系统。当该粒子到达另一端时，则会被保证与之对应的孪生粒子具有一致的量子状态。

无论哪一个粒子发生变化，则其一也会随之发生变化从而实现匹配。这一现象的发生是一个充满不确定性的真实事件。这正是因为我们将纠缠状态未能用于信息传递所致。

因此，在这种情况下我们无法运用此属性来进行通信 但是我们可以借助它来交换加密密钥 然后就可以通过这些加密密钥来保护通过传统渠道传递的信息

基于该系统的适用设备、技术和体系结构, 我们可以确定, 当前量子密码学的安全性不可被破解。即便当前我们拥有的量子计算体系具备相应的技术基础, 其进行通讯的数据绝不会被截获或篡改。

量子密码的利与弊

尽管量子加密和密码学有其优点，但也有一些缺点。

量子加密的优点

• 通信具有安全性：采用量子密码学技术可使通信系统的安全性优于传统加密标准。基于量子物理原理的应用使得该系统具备更高的安全性。
• 多种保障手段：通过不同技术手段实现系统安全性要求。在上一节中我们已经介绍了纠缠与偏振器的相关应用。未来随着研究与技术的发展可望衍生出更多保障手段。
• 检测机制：借助量子安全密码学技术可识别未被授权访问的数据实体以外的其他实体是否存在非法入侵行为。

量子密码学的局限性

即使是像量子密码学这样优秀的技术也有其局限性。

• 受限于范围：受限于纠缠系统的应用领域较为局限性，在实际操作中我们只能依赖光缆来进行量子加密工作。这些光纤线路所能铺设的最大距离约为500公里。
• 偏振变化：由于光子在传输过程中容易出现偏振现象（即其偏振方向会发生变化），这可能导致整体系统的误码率较高。
• 昂贵的设备：与光纤电缆不同，在配置和安装量子密码系统的过程中所涉及的各种设备都极为昂贵。

结论

从用于保障数据及在线通信安全的关键数学方程出发，在物理领域也发展出了同样目标的研究方向。借助量子计算与现代密码学技术的支持，在过去的一段时间里相关技术已经取得了显著进展。随着这些技术的发展与成熟，在线环境下的安全性得到了进一步强化使得入侵几乎不可行。

即使有其局限性，量子加密和密码学也是高度安全和有用的。

在未来的一段时间里，我们可以看到加密技术的大规模实施。

Source: https://hackernoon.com/a-detailed-guide-on-quantum-cryptography-with-pros-and-cons

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