【摘 要】文章介紹了量子密碼術(shù)的工作原理、研究的歷史和進(jìn)展，以及當(dāng)前實際應(yīng)用的情況。

【關(guān)鍵詞】通訊安全；密碼學(xué)；量子密碼 一、引言 隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的持續(xù)、快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通訊、電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子金融等應(yīng)用使我們越來越多地依賴網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作和生活，大量敏感信息需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，人們需要對自己的信息進(jìn)行保護以免被竊取或篡改，密碼學(xué)（Cryptog?鄄raphy）為我們提供了有力的保證。用戶用一個加密密鑰對要保護的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密后的數(shù)據(jù)只能被相應(yīng)的解密密鑰恢復(fù)，非法用戶則因為沒有解密密鑰而無法取得真實數(shù)據(jù)。只要通信雙方事先協(xié)商好密鑰就可以在開放的通訊環(huán)境中進(jìn)行秘密通信了。但如果解密密鑰被竊取或破譯，那么信息的安全就失去保障，而密鑰的安全傳送正是問題的關(guān)鍵。 在現(xiàn)行的密碼體制中只有美國數(shù)學(xué)家吉爾伯特·維那姆（Gillbert Vernam）提出的一次性密碼具有無條件安全性，它要求密鑰是隨機的，并且其長度至少要與被加密數(shù)據(jù)的長度相同，但實際應(yīng)用中卻由于它的一些缺陷而無法得到真正的實現(xiàn)。目前，我們通常用一種稱為“公鑰加密”（public-key cryp?鄄tography）的方法對傳送的信息進(jìn)行加密或解密。在“公鑰加密”法中，最廣泛使用的是RSA算法，它是應(yīng)用因數(shù)分解的原理。在發(fā)送與接收者之間傳遞的秘密信息，是以“公開密鑰”（簡稱公鑰）加密的，這個公鑰是一個很大的數(shù)n，例如408508091（實際上用的數(shù)會遠(yuǎn)大于此，普遍要達(dá)到1024位以上，這數(shù)越大破譯的難度就越大）。數(shù)據(jù)只能以接收者握有的私鑰解開，這把私鑰是公鑰的兩個因數(shù)p和q，即n=p?q，而在這個例子里就是18313與22307。這種技術(shù)之所以安全，是因為應(yīng)用了因數(shù)分解或其它困難的數(shù)學(xué)問題。要計算兩個大質(zhì)數(shù)的乘積很容易，但要將乘積分解回質(zhì)數(shù)卻極為困難。由于破解“公鑰加密”很困難，因此在未來10年甚至更久，密鑰的安全性仍然很高。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機計算速度不斷的增長，人們對大合數(shù)因子分解能力不斷提高，破譯密碼的難度也在不斷降低。特別是對于未來的量子計算機（quantum computer）（它可以快速算出嚇人的高難度因素分解），預(yù)示了RSA及其它密碼技術(shù)終將失效。 因應(yīng)這種情況，科學(xué)家們想到利用量子物理學(xué)的特性用于密碼學(xué)的研究，發(fā)展起一種無法被竊聽的密碼技術(shù)———量子密碼術(shù)(Quantum Cryptography)。 二、 量子密碼術(shù) （一） 工作原理 量子密碼術(shù)是密碼學(xué)與量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，這種加密方法是用量子狀態(tài)來作為信息加密和解密的密鑰。量子的一些神奇性質(zhì)是量子密碼安全性的根本保證。“海森堡測不準(zhǔn)原理”是量子力學(xué)的基本原理，指在同一時刻以相同精度測定量子的位置與動量是不可能的，只能精確測定兩者之一。“單量子不可復(fù)制定理”是“海森堡(Heisenberg)測不準(zhǔn)原理”的推論，它指在不知道量子狀態(tài)的情況下復(fù)制單個量子是不可能的，因為要復(fù)制單個量子就只能先作測量，而測量必然改變量子的狀態(tài)。量子態(tài)通常用Dirac符號“｜·>”表示。一個二維量子態(tài)就是一個量子比特，“態(tài)疊加原理”表明一個量子比特可以是兩個計算基態(tài)｜0>和｜1>的任意線性疊加。量子糾纏是量子力學(xué)最奇妙的現(xiàn)象。如果Alice沿某方向測量自己的粒子，她的測量結(jié)果將完全隨機，即以1／2的概率得到1，1／2的概率得到0。但如果此時Bob也沿相同的方向測量自己的粒子，他一定會得到與A1ice相反的結(jié)果。即不管他們相距多遠(yuǎn)，Alice的測量結(jié)果都會使得Bob的粒子態(tài)唯一確定，這就是愛因斯坦所說的神秘的“超距”現(xiàn)象。利用這一現(xiàn)象，科學(xué)家們首先發(fā)現(xiàn)了量子遠(yuǎn)程傳態(tài)，即通信雙方可以利用一對共享的糾纏態(tài)（en?鄄tangled state）瞬間傳送一個任意量子態(tài)。著名的EPR協(xié)議、BBM92協(xié)議和密集編碼等都是基于量子糾纏性質(zhì)提出的。糾纏還有一個非常有趣的性質(zhì)就是糾纏交換，它是指當(dāng)對不同糾纏態(tài)中的部分粒子做聯(lián)合測量時，會使得其余粒子也糾纏在一起。近年來人們利用糾纏交換設(shè)計了各種各樣的密鑰分發(fā)方案。 到目前為止，主要有三大類量子密碼實現(xiàn)方案：一是基于單光子量子信道中海森堡測不準(zhǔn)原理的；二是基于量子相關(guān)信道中Bell原理的；三是基于兩個非正交量子態(tài)性質(zhì)的。“量子密碼”是利用質(zhì)子的極化方式編排密碼。質(zhì)子能以四種方式極化；水平的和垂直的，而且互為一組，兩條對角線的也是互為一組。 要在兩端傳遞量子密鑰，其中一種方法就是以激光發(fā)出單一光子，光子會以兩種模式中的其中一種偏振。光子的第一種偏振方向是垂直或平行（直線模式）；第二種則是與垂直呈45度角（對角模式）。不管是哪一種模式，光子的不同指向分別代表0或1這兩個數(shù)字。依慣例，密碼學(xué)者通常稱發(fā)送者為Alice，她隨機地以直線或?qū)悄Ｊ剿统龉庾樱l(fā)射出一串位。至于接收者則稱為Bob，他也隨機決定以兩種模式之一來測量射入的光子。根據(jù)海森堡的測不準(zhǔn)原理，他只能以一種模式來測量位，而不能用兩種。如果 Bob所使用的測量方法和Alice相同，那么他會得到Alice所送的值；如果Bob所使用的測量方法與Alice的不同，所得到的值就不一定和Alice的相同，應(yīng)該舍棄該位，重新再作，整個步驟如下： 1.Alice任選一個=，然后送該光子給 Bob。 2.Bob任選一個測量方法b’來測量送來的光子。 3.Alice和Bob都公開宣布他們所用的測量方法b和b’（而不是測量的結(jié)果）。 4.如果 b=b’，則和Bob共有一個值；如果b≠b’，則舍棄該位。 重復(fù)上述步驟多次，可以得到一個n位的共同密鑰K，用以對信息加密或解密。 如果竊聽者（稱為Eve）想攔截這道光子流，由于海森堡原理的關(guān)系，她無法兩種模式都測。如果她以錯誤的模式進(jìn)行測量，即使她將該位依照測到的結(jié)果重傳給Bob，都一定會有1/2機會出錯。Alice和Bob可以隨機選擇一些位進(jìn)行比較，如果比較值有誤，就可以知道Eve進(jìn)行了攔截，從而舍棄這次的密鑰，再建立新的密鑰；如果比較值一致，則可以認(rèn)為密鑰是安全的，舍棄這些用于比較的位后，密鑰就可以用于以后信息的加密了。