20179214 2017-2018-2 《密码与安全新技术》第一周作业

课程：《密码与安全新技术》

班级： 201792

姓名： 刘胜楠

学号：20179214

上课教师：谢四江

上课日期：2018年3月15日

必修/选修： 选修

学习内容总结

    ###量子密码技术简介
    量子密码技术是量子物理学和密码学相结合的一门新兴学科，它是利用量子物理学方法实现密码思想的一种新型密码体制。 量子密码技术是一种实现保密通信的新方法，它比较于经典密码的最大优势是具有可证明安全性和可检测性。单词量子本身的意思是指物质和能量的最小微粒的最基本的行为。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。
    量子密码学的基本思路是利用光子传送密钥信息。量子物理学的理论表明，每个光子都具有一个特定的线偏振特性（无论电场是水平振动还是垂直振动）和一个圆偏振特性（无论电场的方向是左旋还是右旋）。根据测不准原理，不能同时测定光子的线偏振和圆偏振特性，当精确测定其中一个特性时，必然是另一个特性完全随机化。

　　利用这一特性，发送方和接收方便可以通过公开信道协商任何第三方无法窃听的随机密钥序列。发送方将随机选定的线偏振和圆偏振光子发送给接收方，而接收方独立地并随机地选定测试坐标测定接收到的光子，接收方正确测得的大约只占一半。接着接收方向发送方公稚测试坐标，同时发送方告诉接收方哪些是正确的，哪些是错误的，双方保留正确的，就可达到真正安全的分配随机密钥，其他任何第三方都无从知晓，这种传输叫做“量子传输”。利用量子信道传送密钥具有很高的安全性。因为第三方对光子的任何测定尝试会改变量子的偏振特性，从而造成接收者产生25％的测试误差，将上述保留的正确位置的比特进行比较，每个比特都含有75％的可能，窃听者可以窃听而不被发现。比较100个比特，则不被发现的可能性降到3.1013左右，也即此时一定能发现存在窃听。所以窃听者要想不改变密钥信息的内容，逃过收、发双方的眼睛而窃取密钥是根本不可能的。一旦发现密钥被窃取，双方可以丢弃收到的信息重新进行密钥分配。

到目前为止，有关量子密码的成果虽然很多，但尚有许多问题有待于深入研究。比如，寻找新的可用量子效应以便提出更多高效的量子密钥分配协议，开发量子加密算法以便形成和完善量子加密理论，在诸如量子身份认证、量子签名等方面改进已有方案或推陈出新，还有研究量子攻击算法和量子密码协议的安全性分析等。总的来说，量子密码理论与技术还处于实验和探索之中。自从二十世纪八十年代量子信息成为物理与信息学科交叉研究的热点以来，我国的科学工作者在量子信息研究方面也做出了大量的突出工作，包括量子计算、量子纠缠、量子克降、量子退相干、量子博弈、量子信息处理、量子纠错与避错、量子测量、量子密钥分配、量子机密共享、量子身份认证、量子数据隐藏、量子安全直接通信等各个方面，有关工作在论文集中有较多的收录。这一些研究工作不仅是理论上的，也在实验上取得了大量的优秀结果。

    ###中国量子研究的发展
    中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室的潘建伟教授及其同事，利用冷原子量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果完美地实现了长程量子通信中亟需的“量子中继器”，向未来广域量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。

　　类比于传统的电子通信中为了补偿电信号衰减而进行整形和放大的电子中继器，奥地利科学家在理论上提出，可以通过量子存储技术和量子纠缠交换和纯化技术的结合来实现量子中继器，从而最终实现大规模的长程量子通信。量子存储的实验实现却一直存在着很大的困难。为了解决量子存储问题，国际上人们做了大量的研究工作。比如段路明及其奥地利、美国的合作者就曾于2001年提出了基于原子系综的另一类量子中继器方案。由于这一方案具有易于实验实现的优点，受到了学术界的广泛重视。然而，随后的研究表明，由于这一类量子中继器方案存在着诸如纠缠态对信道长度抖动过于敏感、误码率随信道长度增长过快等严重问题，无法被用于实际的长程量子通信中。

　　为了解决上述困难，潘建伟、陈增兵和赵博等在理论上提出了具有存储功能、并且对信道长度抖动不敏感、误码率低的高效率量子中继器方案。同时，潘建伟研究小组与德国、奥地利的科学家经过多年的合作研究，在逐步实现了光子—原子纠缠、光子比特到原子比特的量子隐形传态等重要阶段性成果的基础上，最终实验实现了完整的量子中继器基本单元。由于量子中继器实验实现在量子信息研究中的重要意义。

学习中的问题和解决过程

--问题一 量子指的是什么

--解决方案：首先对于量子可以有个简单的定义，指的是不可分割的粒子。可以理解是最小单位，是能量的携带者。根据物质的不同，量子也有不同的形态，比如大家已经比较熟悉的“光子”，指的就是“光的量子”，是一定频率的光的基本能量单位。量子有两个重要的特性，一是不可分割性，因为它已经是“最小单元”，另一个就是“可叠加性”。描写微观物理世界的物理理论就是量子力学。

--问题二 量子与中微子

--解决方案：在之前的时候听说过中微子，如果中微子存在的话，那中微子应该是很多现象产生的原因，也是一种非常小的粒子，由于听了量子通信，让我不禁想到了中微子，便查询了一下，不仅仅是有量子通信，还看到了中微子通信的概念。只不过技术并没有量子通信那么成熟，因为中微子的难捕捉性，所以导致现在中微子通信只是一个假想的方向。另外在讲课的过程中，老师有说过量子通信过程中体现的波粒二象性的一种现象，虽然最后并没有确定说明，但有可能这个中间有我们并没有察觉的粒子存在，导致了这一中现象。

--问题三 量子通信未来还有哪些发展方向，或者是攻克的难题

--解决方案：我在查阅的过程中，看到了一个有趣的标题。显示量子隐身的应用，但是具体成果在保密阶段，那家公司私下与各国军方接触，如果量子隐身技术为真，那么在军事上就有重要的应用，之前某高校传出了研究出的量子隐身技术，后来证明是假的，如果真能研究出来，会具有非常大的应用。

其他（感悟、思考等）

量子技术现在是比较热门的技术，尤其在密码学方面，量子密码学也是具有非常重要的地位，是热门的方向。如果在本土规模化的推广，也会带来很大的便利，但是在推广之前，应该尽可能的规避一些他的弊端，不要等到出现的时候在想着解决。要有居安思危的意识，避免之前的老路，要达到可持续的发展。

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