量子密码理论与协议研究
文章目录
前言
二、量子密码协议
1.BB84协议
2.B92协议
3.E91协议
三、重要的理论和协议方向
1.量子密钥分发协议（Quantum Key Distribution, QKD）
2.量子认证协议（Quantum Authentication）
3.量子签名协议（Quantum Signature）
4.量子零知识证明协议（Quantum Zero-Knowledge Proof）
总结
前言
近些年来，随着量子技术的迅速发展和量子计算机的崛起，对量子密码学的研究变得更加重要。传统的加密方法有可能被量子计算机破解，因此研究者们努力寻找和研究更加安全的量子密码学方案，并推动量子安全通信技术的发展。
一、量子密码
量子密码的思想源自由美国人Wiesner于20世纪70年代提出的量子货币概念。量子密码是以现代密码学和量子力学为基础、利用量子物理学方法实现密码思想和操作的一种新型密码体制。与当前使用的以数学为基础的密码体制不同，量子密码以量子物理原理为基础，利用量子信号实现。
量子密码术（Quantum Cryptography）用我们当前的物理学知识来开发不能被破获的密码系统，即如果不了解发送者所使用的密钥，接受者几乎无法破解并得到内容。
量子密码术与传统的密码系统不同，它依赖于物理学作为安全模式的关键方面而不是数学。实质上，量子密码术是基于单个光子的应用和它们固有的量子属性开发的不可破解的密码系统，因为在不干扰系统的情况下无法测定该系统的量子状态。理论上其他微粒也可以用，只是光子具有所有需要的品质，它们的行为相对较好理解，同时又是最有前途的高带宽通讯介质光纤电缆的信息载体。
二、量子密码协议
量子密码协议是一种基于量子态和量子力学特性设计的安全通信协议，用于实现加密、认证和签名等功能。这些协议旨在利用量子力学的不可克隆性和观测干扰性质来保护通信安全。主要包括BB84协议、B92协议和E91协议。
1.BB84协议
1984年，IBM公司的研究员Bennett和蒙特利大学学者Brassard提出了BB84协议，该协议把密码以密钥的形式分配给信息的收发方，故而称为“量子密钥分发（QKD）”。BB84协议四态协议（即基于四个量子状态实现），也是第一个量子密码通信协议。BB84协议的关键在于：双方选取了2组非正交编码基。窃听方无法获得一方传递给另一方的信息。接收方根据测量数据计算相应的误码率，如果误码率高于某个阙值，就终止本轮协议，重新开始分发新的随机密钥。如果能保证密钥长度尽可能的长，这种传递信息的方式与窃听者的破解能力没有任何关系，是无条件的。
BB84协议通过光子的4种偏振态来进行编码：线偏振态，圆偏振态，如图1所示。其中，线偏振光子和圆偏振光子的两个状态各自正交，但是线偏振光子和圆偏振光子之间的状态互不正交。
BB84协议的实现需要两个信道：经典信道和量子信道。经典信道要确保收发双方Alice和Bob之间能进行一些必要信息的交换，而量子信道用于传输携带信息的或者随机的量子态。
2.B92协议
B92协议是一个两态协议,是IBM公司的Bennett在1992年提出的，是对BB84协议的简化。协议的实现以两个非正交的量子比特为基础。由于所采用的量子比特的非正交性满足量子不可克隆定理,使得攻击者不能从协议中获取量子密钥的有效信息。
3.E91协议
E91协议最初是由欧洲的研究人员发表出来的，该方案的实现是以EPR纠缠对为基础因此我们也把它称作EPR协议，其安全性能由Bell定理保证。E91协议的实现包括信息传输和信息安全检测两次操作，该协议使用了四个基来进行信息的传递，情况相对上述前两个协议较为复杂。
E91协议是一种基于纠缠态的量子密钥分发协议。发送方生成一对纠缠态，其中一个比特被保留，另一个传输给接收方。通过观测纠缠态，发送方和接收方可以建立一个秘密的共享密钥。
三、重要的理论和协议方向
1.量子密钥分发协议（Quantum Key Distribution, QKD）
量子密钥分发协议（Quantum Key Distribution, QKD）：QKD 是一种利用量子力学原理实现密钥分发的方法。通过使用量子态的量子比特，通信双方可以生成一致的密钥，保证密钥的安全性。典型的 QKD 协议包括 BB84 协议、E91 协议等。研究者关注协议的安全性、传输距离、密钥分发速率和干扰抵抗力等方面。
2.量子认证协议（Quantum Authentication）
量子认证协议（Quantum Authentication）：量子认证协议使用量子态的特性来实现身份验证和通信的可信性。通过使用特定的量子态和测量方法，通信双方可以确保对方的身份，并建立安全的通信链路。研究者致力于设计和分析基于量子纠缠和量子测量的安全认证协议。
3.量子签名协议（Quantum Signature）
量子签名协议（Quantum Signature）：量子签名协议利用量子态和量子操作来实现数字签名的安全性和验证性质。量子签名允许发送方在消息上附加其特定的数字签名，以确保消息的完整性和来源可信性。研究者关注基于量子纠缠和量子测量的安全签名协议的设计和分析。
4.量子零知识证明协议（Quantum Zero-Knowledge Proof）
量子零知识证明协议（Quantum Zero-Knowledge Proof）：量子零知识证明协议利用量子态的性质实现零知识证明的安全性和隐私保护。量子零知识证明允许证明者向验证者证明某个声明是正确的，而不泄露任何关于声明的信息。研究者尝试开发基于量子态的量子零知识证明协议和系统的实现方法。
总结
量子密码理论与协议研究是关于使用量子力学原理来保护通信的安全性的领域。量子密码的目标是提供高度安全和不可破解的加密方法，以保护敏感信息在传输和存储过程中的安全性。
量子密码理论的重要概念包括量子态、量子测量、量子纠缠和量子比特编码等。这些概念用来设计协议，实现秘密密钥的分发和通信的加密。