300+301+303 量子加密系统.ppt

量子加密系统 制作小组成员 0510300张铭0510301张鹏0510303张向胜 随着网络技术的快速发展 大量敏感信息需要通过网络传输 人们需要对自己的信息进行保护以免丢失或遭受攻击 密码学为我们提供了有力的保证 用户用一个加密密钥对自己的数据进行加密 加密后的数据只能被相应的解密密钥恢复 非法用户则因为没有解密密钥而 看不到 真实数据 通信双方事先协商好密钥就可进行秘密通信 经典密码体制相对于量子密码体制包括对称密码体制和公钥密码体制 其算法安全性主要是计算安全性 在经典密码体制中只有一次一密具有无条件安全性 它要求有与被加密数据相同长度的随机密钥 而如何产生足够长的随机密钥一直是个难题 所以一次一密并没有得到实际应用 量子密码的出现将解决这个难题 关于加密 所谓加密 就是把数据信息即明文转换为不可辨识的形式即密文的过程 目的是使不应了解该数据信息的人不能够知道和识别 将密文转变为明文的过程就是解密 加密和解密过程形成加密系统 明文与密文统称为报文 任何加密系统 不论形式如何复杂 实现的算法如何不同 但其基本组成部分是相同的 通常都包括如下4个部分 1 需要加密的报文 也称为明文 2 加密以后形成的报文 也称为密文 3 加密 解密的装置或算法 4 用于加密和解密的钥匙 称为密钥 密钥可以是数字 词汇或者语句 加密系统的数学表达 一个加密系统S可以用数学符号描述如下 S P C K E D 其中P 明文空间 表示全体可能出现的明文集合 C 密文空间 表示全体可能出现的密文集合 K 密钥空间 密钥是加密算法中的可变参数 E 加密算法 由一些公式 法则或程序构成 D 解密算法 它是E的逆 当给定密钥K时 各符号之间有如下关系 C Ek P 对明文P加密后得到密文CP Dk C Dk Ek P 对密文C解密后得明文P如用E 1表示E的逆 D 1表示D的逆 则有 Ek D 1k且Dk E 1k因此 加密设计主要是确定E D K 即加密算法 解密算法 密钥空间 量子加密系统 量子加密系统最基本的原理是 量子纠缠 即利用一个特殊的晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子 其粒子间即使相距遥远也是相互联结的 而此对纠缠光子都有着各自不同的偏振方向 是无法确定的 只有当光子被测量或受到干扰 它才有明确的偏振方向 一但其中一个光子的方向被确定 那么另一个光子就被确定为与之相关的偏振方向 海森堡测不准原理 单量子不可复制定理 及 单个量子的不可完全擦除定理 保证了量子加密系统的安全性 量子加密传送过程 以激光发出单一光子 光子会以两种模式中的其中一种偏振 光子的第一种偏振方向是垂直或平行 直线模式 第二种则是与垂直呈45度角 对角模式 不管是哪一种模式 光子的不同指向分别代表0或1这两个数字 Alice以直线或对角随机模式送出光子 发射出一串位元 Bob也随机决定以两种模式之一来量测射入的位元 只有当Bob与Alice选用相同的模式时 位元的指向才能保证是正确的在传送之后 Bob与Alice互相联络 这时不需要保密 Bob告诉Alice是用哪种模式接收个别光子 不过他并没有说明各个光子的位元是0或1 接着Alice告诉Bob他哪些模式的测量方式是正确的 他们会删除没有以正确模式观测的光子 而以正确模式所观测出来的光子便成为密钥 用来加密或解密 如果Eve想拦截这道光子流 由于 海森堡测不准原理 她无法两种模式都测 如果她以错误的模式进行测量 即使她将位元依照测到的结果重传给鲍伯 一定会有误差 Alice与Bob可以选择性地比较一些位元 并检查错误 来侦测是否有窃听者 当我们在测量量子态的某个性质时 会使另一个性质受到扰动 在量子密码系统里 如果其中一个光子接触到了第三个粒子 另一个光子也会立即改变状态 即使它与第一个光子 天各一方 任何窃取者在偷看光子束时都会更动到它 而被发送者或接收者察觉 但是这又衍生一个新的问题 远距离传输时不被诸如空气等因素干扰 量子加密实现远距离传输 一群欧洲科学家最近在量子加密研究上取得新突破 利用光束让加密代码跨越了90英里 145千米 宽的海洋 该成果已经发表在本月的学术杂志 自然物理学 上 试验是在非洲西北部的加那利群岛上进行的 其中光源位于LaPalma岛 接受端则位于Tenerife岛 二者相隔90英里 赞助这一研究的欧洲空间局 ESA 称 试验的成功让ESA距离把量子纠缠作为 百分之百安全的卫星通信 更近一步了 量子纠缠是量子力学领域内的独特现象 是指无论两个粒子间相隔多远 一个粒子的变化都会影响另一个粒子的行为 即它们是相互关联的 利用非线性的自发参量下转换 SPDC 甚至可以直接创造互相纠缠的光子对 进而用于数据加密与传输 如果其中一个光子接触到了第三个粒子 另一个光子也会立即改变状态 即使它与第一个光子 天各一方 光子对的状态改变程度是完全随机 不可预测的 理论上第三方粒子根本无法在不截获量子密钥的情况下对加密信息进行解码 而对光子的检测行为同样会改变光子对的状态 从而暴露窃密者 接受端对光子状态的改变自然是合法的 窃密者则完全无法做到神不知鬼不觉 在此之前 人们并不知道在相隔甚远的岛屿之间利用大气传输的纠缠光子对是否能互相影响 而研究的成功让ESA确信 距离并不会影响量子加密传输的效果 用于卫星通信也不存在问题 欧洲空间局的光学地球站 OGS 位于Tenerife岛的泰德观测台在本次试验中负责接收量子加密代码 量子加密算法的介绍 一 基于经典密钥的量子加密算法 又称作秘密量子信道 Privatequantumchannel 简称PQC 二 基于最子密钥的里子加密算法 使用EPR纠缠态作为密钥的量子加密算法 注 EPR Einstein Podolsky Rosen 爱因斯坦 波多尔斯基和罗森 基于经典密钥的量子加密算法 下面给出一个具体的PQC例子 在该例子中采用两个经典比特加密一个量子比特 算法具体描述如下 基于量子密钥的量子加密算法 量子加密安全性分析 量子加密的安全性由量子力学原理所保证 窃听者的基本策略有两类 1 是通过对携带消息的量子态进行测量 从其测量结果来获取所需的信息 但是量子力学的基本原理一海森堡测不准原理告诉我们 对量子态的测量会干扰量子态本身 因此 这种窃听方式必然会留下痕迹而被合法用户所发现 2 是直接复制传送消息的量子态 窃听者将原量子态传送给接收者 而留下复制的量子态进行测量以窃取信息 这样就不会留下任何痕迹 但是量子不可复制定理确保窃听者不会成功 任何物理上可行的量子复制机都不可能复制出与输人量子态完全相同的量子态 所以 量子加密是相对安全的 量子加密潜在隐患 所有的加密技术都是设计來让人破解的 byTomky 即使是号称不可能破解的量子加密技术 一个在MIT的研究团体最近终于将一个从1998年就提出的骇法给实现出來 借由在海森堡测不准原理 他们可以直接从光子的动量來估算出它们的相位 也就是它们被付予的编码 而且这个动作并不会被传送方和接收方发现 令人庆幸的是 一 它目前只能解出大约40 的信息量 二 其实現在还是会被接收方发现 除非他们 刚好 在同一个房间用同一台机器來测量 要能使这项技术达到实用的程度 还需要一个完美的 非破坏性的量子测量盒 一个理论上可行但至今没有做出来的东西 Heisenberg测不准关系表明 两个算符不对易的力学量不可能同时确定 对一量子系统的两个非对易的力学量进行测量 那么测不准关系决定了它们的涨落不可能同时为零 在一个量子态中 如果一个力学量的取值完全确定 那么与其不对易的力学量的取值就完全不能确定 这样 对一个量子系统施行某种测量必然对系统产生干扰 而且测量得到的只能是测量前系统状态的不完整信息 因此任何对量子系统相干信道的窃听 都会导致不可避免的干扰 从而马上被通讯的合法用户所发现 返回 量子不可复制定理 量子力学的