从光纤到量子:Alice与Bob之间的通信加密算法演变“随着“墨子号”卫星成功发射,量子通信第一次正式与世人见面。但为什么说量子通信技术备受追捧,在这当中就不得不聊聊通信安全


2016年8月26日-而对于量子通信中的加密传输就绕不开Alice和Bob之间的“纠
通信干扰技术的发展429.从光纤到量子:Alice与Bob之间的通信加密算法演变430
从光纤到量子:Alice与Bob之间的通信加密算法演变...性分析爱若细水流长岁
通信干扰技术的发展429.从光纤到量子:Alice与Bob之间的通信加密算法演变430
其次,设计了基于偏振编码的光纤信道量子保密通信系统。基于Winsock网络编程
发送者Alice和接收者Bob用量子信道来传输量子态。如果用光子作为量子态载体
加密时,Alice利用Hash算法,由主密钥生成会话密钥...量子态经过传输率为T的
关键词:量子密码密钥通信BB84协议摘要:量子...Alice的公钥N和
量子密码真的就那么神奇?我想因该是,不过要多久呢!我可以肯定它的到来,那时候密码安全更高,但是黑客还会存...wapiknow.baidu2007-12-1610.量子通信小论文资料.doc全文-规范文件-在线文档
正是它预先构成了Alice与Bob之间的“量子通道”,...km长的光纤和一根2.2k

从光纤到量子:Alice与Bob之间的通信加密算法演变


随着“墨子号”卫星成功发射,量子通信第一次正式与世人见面。但为什么说量子通信技术备受追捧,在这当中就不得不聊聊通信安全这点事儿,而对于量子通信中的加密传输就绕不开Alice和Bob之间的“纠葛”。

Alice初遇Bob
咳咳,讲故事之前先科普才是一个称职的小编,Alice是谁?举个简单的栗子:如果说Bob是收件人,那么Alice就是发件人。 就像是八点档的狗血电视剧,两个相爱的人之间一定会存在第三者,而这个第三者就是窃听Alice和Bob之间相互通信的邪恶Eva,Eva不仅会窃听通信内容,还会拦截甚至是串改Alice给Bob“信”。

然而,说起Alice 之所以能够遇见 Bob,算起来这还要归功于 Rivest的“灵光一闪”。Rivest是谁?Rivest 不仅是 RSA 之父,也是 Alice 和 Bob 之父。Rivest表示,Alice 和 Bob 的诞生是为了避免在描述中使用 A 和 B,又因为他们分别以 A、B 开头,所以在算式中,仍然可以简洁地用 EA、EB 这 样的形式区分。而创建一男一女两个角色,并不是为了给读者什么编罗曼史的机会,而是为了在描述时,可以方便地用她 (she)和他(he)来指代而不至于混淆。至于为什么会是 Alice 和 Bob 这两个名字跳了出来,Rivest 自己猜测可能因为自己比较痴迷《爱丽丝梦游仙境》。只是他没有料到 Alice 和 Bob 会成为行业惯例,知名度甚至超过了自己。(随后,又出现了Eva、Carol 、Dave......)


Alice 和 Bob 的首登场 via


Alice、Bob联手大战Eva:加密通信斗法开始
Alice和Bob为了抵抗Eva的恶意破坏,开始使用加密通信,于是,在1977年RSA公钥加密算法出现。该加密算法是由罗纳德·李维斯特(Ron Rivest)、阿迪·萨莫尔(Adi Shamir)和伦纳德·阿德曼(Leonard Adleman)一起提出的。1987年首次公布,当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的(大家有没有发现这几位科学家在取名字方面好任性啊)。RSA是目前最有影响力的公钥加密算法,它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击,已被ISO推荐为公钥数据加密标准。

到2008年为止,世界上还没有任何可靠的攻击RSA算法的方式。今天只有短的RSA钥匙才可能被强力方式解破。只要其钥匙的长度足够长,用RSA加密的信息实际上是不能被解破的。和其它加密过程一样,对RSA来说分配公钥的过程是非常重要的。分配公钥的过程必须能够抵挡一个从中取代的攻击。假设Eve交给Bob一个公钥,并使 Bob相信这是Alice的公钥,并且她可以截下Alice和Bob之间的信息传递,那么她可以将她自己的公钥传给Bob,Bob以为这是Alice的公钥。Eve可以将所有Bob传递给Alice的消息截下来,将这个消息用她自己的密钥解密,读这个消息,然后将这个消息再用Alice的公钥加密后传给Alice。理论上Alice和Bob都不会发现Eve在偷听他们的消息。今天人们一般用数字认证来防止这样的攻击。

但在分布式计算和量子计算机理论日趋成熟的今天,RSA加密安全性受到了挑战。RSA算法基于一个十分简单的数论事实:将两个大质数相乘十分容易,但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难,因此可以将乘积公开作为加密密钥。

BB84、B91、B92量子保密通信协议抵抗Eva
随着Alice和Eva双方的斗法升级,RSA加密算法转战量子通信领域。量子保密通信真正进入科学家的视野是在1984年。这一年,IBM华生实验室工程师本奈特(Charles Bennett)和布拉萨德(Gilles Brassard)提出了全新的BB84保密通信协议。量子的某些基本物理特性开始成为保密通信中的主角。

和其他的保密通信协议一样,本奈特和布拉萨德的方案中也有一个信息发送者Alice和一个接收者Bob。不同的是,Alice用光子的不同偏振态来传输密钥的键值。Alice按照直线(上下或左右)或者对角线(与垂直呈45度夹角)偏振的方式发出携带着不同信息的光子。Bob收到光子后,并不知道发送方式,只能随机选择测量方式。当他的测量方式与Alice的相同时,就能得到正确的密钥值,如果测量方式错误,光子就有一半概率给出错误的密钥值。最后,Alice可以通过公开渠道告诉Bob正确的测量方式,从而筛选出正确的键值构成密钥。

如果有人企图窃听又会如何呢?按照海森堡测不准原理,任何测量都无法穷尽量子的所有信息。因此,窃听者要复制一个完全相同的光子根本是不可能的事情。他只有在中途拦截光子进行测量,然后按照测量到的信息发送一个相同的粒子。与Bob一样,窃听者Eva这时只能随机选择测量方式。而按错误测量方式得到的信息必然会误导她发出错误的光子信号。当Alice与Bob对照密钥时,这些蛛丝马迹就会“供出”窃听者的存在。


Eva用错误方式接收光子的概率为50%,而Bob有50%的可能用正确方式接收这个光子,因此每窃听一个光子,窃听者有25%的可能被发现。这似乎是一次成功的窃听。但往往密钥并非只由一个光子信息组成,当密钥长度增长至72个光子时,Eva仅有十亿分之一的可能不被发现。

1991年,英国科学家埃克特(Artur Ekert)又提出了一套新想法。在这套被称作E91的通信协议中,量子纠缠态被用于传输和保证信息安全。根据这种被爱因斯坦称作“幽灵般超距作用”的量子行为,两个粒子经过相互作用后似乎就具有了某种“心电感应”:无论距离多远,只要一个粒子的状态发生变化,另一个粒子也会改变状态。这种“心电感应”几乎是在瞬间发生,远远超过光速。

如果Alice和Bob各持有这样一个粒子,Alice只要对粒子进行某种操作,这个信息就会瞬间传输到Bob处。在E91协议中,Alice和Bob先各自随机选取方式对各自的粒子进行测量,然后选取双方使用了相同测量方式得到的结果作为密钥。而要检测是否有窃听者,Alice和Bob只要挑选出他们使用了不同测量方式的粒子,检测它们是否仍然是纠缠粒子对就可以了。如果两个粒子不再具有“心电感应”,那必定有人在传输途中“偷梁换柱”。

E91、BB84及其1992年的变体B92协议是构成了目前应用最广泛的量子保密通信体系。或将它们稍加变化,或互相借鉴,科学家们希望籍此实现最安全、有效、便利的保密通信。

Alice和Eva量子通信大战成现实

随着“墨子号”量子实验卫星的成功发射,Alice和Eva这两方通信大战开始升级到量子领域。而墨子号”量子实验卫星就是基于BB84协议的单光子偏振编码量子密钥分发。这颗实验卫星的发射终将Alice和Eva纸上谈兵的加密算法变成现实。


量子加密通信方式是量子隐形传态。它能把粒子A携带的量子信息传递到另一个粒子B上,且无需传递粒子B本身。量子隐形传态的基本过程是:让粒子1和粒子2进入纠缠态,然后粒子1留给Alice,粒子2给Bob;Alice有携带量子信息的粒子3。她对粒子1和粒子3同时测量,获得一个测量结果。Alice把这个测量结果通过公开信道发送给Bob;Bob根据测量结果,对粒子2进行逆运算,这时粒子2携带了粒子3上的量子信息。注意,根据量子不可复制原理,粒子3携带的量子信息会消失。


根据量子不可复制原理,偷听者Eve如果试图复制发给Bob的粒子2,那么粒子2的量子态将被破坏;如果Eve只偷听了Alice发出的测量结果,手头没有处于纠缠态的粒子2,他也无法完整复原信息。换句话说,Alice发送的的一部分信息包含在纠缠的量子中,另一部分包含在测量结果中。要复现量子信息,二者缺一不可。
 

简单来讲就是,Alice想给 Bob 一封信。墨子号可以将许多组每组两颗纠缠态光子拆开,发射给Alice和Bob。当Alice“观测”这些光子,就像用手去触摸了它们一样,会让这些光子发生形态变化。同时,发射给Bob光子也会产生一模一样变化。把这些光子的形态,按照固定顺序记录下来,就变成了一组密钥。Alice按照这个密钥加密发送的信息,Bob手里已经拿到了解码的密钥,能够顺利解密信息。


首颗量子科学实验卫星6大创新点:
①卫星平台额载荷复合3.5微弧度高精度捕获跟踪和光学对准技术;
②近衍射极限的天基量子光发射技术;
③天地一体高保真度偏振调控技术;
④天地亚纳秒级的时间相对测量技术;
⑤天基高亮度量子纠缠源、量子调制和解调技术;
⑥星地2.5Gbps/5Gbps高速相干激光通信技术。

写在最后
对密码学感兴趣的看官们我们玩个初级的摩斯密码吧(笑)
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    从光纤到量子:Alice与Bob之间的通信加密算法演变

    加密通信

    微波与制导(Tina) · 2017-01-01 09:55

    从光纤到量子:Alice与Bob之间的通信加密算法演变


    随着“墨子号”卫星成功发射,量子通信第一次正式与世人见面。但为什么说量子通信技术备受追捧,在这当中就不得不聊聊通信安全这点事儿,而对于量子通信中的加密传输就绕不开Alice和Bob之间的“纠葛”。

    Alice初遇Bob
    咳咳,讲故事之前先科普才是一个称职的小编,Alice是谁?举个简单的栗子:如果说Bob是收件人,那么Alice就是发件人。 就像是八点档的狗血电视剧,两个相爱的人之间一定会存在第三者,而这个第三者就是窃听Alice和Bob之间相互通信的邪恶Eva,Eva不仅会窃听通信内容,还会拦截甚至是串改Alice给Bob“信”。

    然而,说起Alice 之所以能够遇见 Bob,算起来这还要归功于 Rivest的“灵光一闪”。Rivest是谁?Rivest 不仅是 RSA 之父,也是 Alice 和 Bob 之父。Rivest表示,Alice 和 Bob 的诞生是为了避免在描述中使用 A 和 B,又因为他们分别以 A、B 开头,所以在算式中,仍然可以简洁地用 EA、EB 这 样的形式区分。而创建一男一女两个角色,并不是为了给读者什么编罗曼史的机会,而是为了在描述时,可以方便地用她 (she)和他(he)来指代而不至于混淆。至于为什么会是 Alice 和 Bob 这两个名字跳了出来,Rivest 自己猜测可能因为自己比较痴迷《爱丽丝梦游仙境》。只是他没有料到 Alice 和 Bob 会成为行业惯例,知名度甚至超过了自己。(随后,又出现了Eva、Carol 、Dave......)


    Alice 和 Bob 的首登场 via


    Alice、Bob联手大战Eva:加密通信斗法开始
    Alice和Bob为了抵抗Eva的恶意破坏,开始使用加密通信,于是,在1977年RSA公钥加密算法出现。该加密算法是由罗纳德·李维斯特(Ron Rivest)、阿迪·萨莫尔(Adi Shamir)和伦纳德·阿德曼(Leonard Adleman)一起提出的。1987年首次公布,当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的(大家有没有发现这几位科学家在取名字方面好任性啊)。RSA是目前最有影响力的公钥加密算法,它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击,已被ISO推荐为公钥数据加密标准。

    到2008年为止,世界上还没有任何可靠的攻击RSA算法的方式。今天只有短的RSA钥匙才可能被强力方式解破。只要其钥匙的长度足够长,用RSA加密的信息实际上是不能被解破的。和其它加密过程一样,对RSA来说分配公钥的过程是非常重要的。分配公钥的过程必须能够抵挡一个从中取代的攻击。假设Eve交给Bob一个公钥,并使 Bob相信这是Alice的公钥,并且她可以截下Alice和Bob之间的信息传递,那么她可以将她自己的公钥传给Bob,Bob以为这是Alice的公钥。Eve可以将所有Bob传递给Alice的消息截下来,将这个消息用她自己的密钥解密,读这个消息,然后将这个消息再用Alice的公钥加密后传给Alice。理论上Alice和Bob都不会发现Eve在偷听他们的消息。今天人们一般用数字认证来防止这样的攻击。

    但在分布式计算和量子计算机理论日趋成熟的今天,RSA加密安全性受到了挑战。RSA算法基于一个十分简单的数论事实:将两个大质数相乘十分容易,但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难,因此可以将乘积公开作为加密密钥。

    BB84、B91、B92量子保密通信协议抵抗Eva
    随着Alice和Eva双方的斗法升级,RSA加密算法转战量子通信领域。量子保密通信真正进入科学家的视野是在1984年。这一年,IBM华生实验室工程师本奈特(Charles Bennett)和布拉萨德(Gilles Brassard)提出了全新的BB84保密通信协议。量子的某些基本物理特性开始成为保密通信中的主角。

    和其他的保密通信协议一样,本奈特和布拉萨德的方案中也有一个信息发送者Alice和一个接收者Bob。不同的是,Alice用光子的不同偏振态来传输密钥的键值。Alice按照直线(上下或左右)或者对角线(与垂直呈45度夹角)偏振的方式发出携带着不同信息的光子。Bob收到光子后,并不知道发送方式,只能随机选择测量方式。当他的测量方式与Alice的相同时,就能得到正确的密钥值,如果测量方式错误,光子就有一半概率给出错误的密钥值。最后,Alice可以通过公开渠道告诉Bob正确的测量方式,从而筛选出正确的键值构成密钥。

    如果有人企图窃听又会如何呢?按照海森堡测不准原理,任何测量都无法穷尽量子的所有信息。因此,窃听者要复制一个完全相同的光子根本是不可能的事情。他只有在中途拦截光子进行测量,然后按照测量到的信息发送一个相同的粒子。与Bob一样,窃听者Eva这时只能随机选择测量方式。而按错误测量方式得到的信息必然会误导她发出错误的光子信号。当Alice与Bob对照密钥时,这些蛛丝马迹就会“供出”窃听者的存在。


    Eva用错误方式接收光子的概率为50%,而Bob有50%的可能用正确方式接收这个光子,因此每窃听一个光子,窃听者有25%的可能被发现。这似乎是一次成功的窃听。但往往密钥并非只由一个光子信息组成,当密钥长度增长至72个光子时,Eva仅有十亿分之一的可能不被发现。

    1991年,英国科学家埃克特(Artur Ekert)又提出了一套新想法。在这套被称作E91的通信协议中,量子纠缠态被用于传输和保证信息安全。根据这种被爱因斯坦称作“幽灵般超距作用”的量子行为,两个粒子经过相互作用后似乎就具有了某种“心电感应”:无论距离多远,只要一个粒子的状态发生变化,另一个粒子也会改变状态。这种“心电感应”几乎是在瞬间发生,远远超过光速。

    如果Alice和Bob各持有这样一个粒子,Alice只要对粒子进行某种操作,这个信息就会瞬间传输到Bob处。在E91协议中,Alice和Bob先各自随机选取方式对各自的粒子进行测量,然后选取双方使用了相同测量方式得到的结果作为密钥。而要检测是否有窃听者,Alice和Bob只要挑选出他们使用了不同测量方式的粒子,检测它们是否仍然是纠缠粒子对就可以了。如果两个粒子不再具有“心电感应”,那必定有人在传输途中“偷梁换柱”。

    E91、BB84及其1992年的变体B92协议是构成了目前应用最广泛的量子保密通信体系。或将它们稍加变化,或互相借鉴,科学家们希望籍此实现最安全、有效、便利的保密通信。

    Alice和Eva量子通信大战成现实

    随着“墨子号”量子实验卫星的成功发射,Alice和Eva这两方通信大战开始升级到量子领域。而墨子号”量子实验卫星就是基于BB84协议的单光子偏振编码量子密钥分发。这颗实验卫星的发射终将Alice和Eva纸上谈兵的加密算法变成现实。


    量子加密通信方式是量子隐形传态。它能把粒子A携带的量子信息传递到另一个粒子B上,且无需传递粒子B本身。量子隐形传态的基本过程是:让粒子1和粒子2进入纠缠态,然后粒子1留给Alice,粒子2给Bob;Alice有携带量子信息的粒子3。她对粒子1和粒子3同时测量,获得一个测量结果。Alice把这个测量结果通过公开信道发送给Bob;Bob根据测量结果,对粒子2进行逆运算,这时粒子2携带了粒子3上的量子信息。注意,根据量子不可复制原理,粒子3携带的量子信息会消失。


    根据量子不可复制原理,偷听者Eve如果试图复制发给Bob的粒子2,那么粒子2的量子态将被破坏;如果Eve只偷听了Alice发出的测量结果,手头没有处于纠缠态的粒子2,他也无法完整复原信息。换句话说,Alice发送的的一部分信息包含在纠缠的量子中,另一部分包含在测量结果中。要复现量子信息,二者缺一不可。
     

    简单来讲就是,Alice想给 Bob 一封信。墨子号可以将许多组每组两颗纠缠态光子拆开,发射给Alice和Bob。当Alice“观测”这些光子,就像用手去触摸了它们一样,会让这些光子发生形态变化。同时,发射给Bob光子也会产生一模一样变化。把这些光子的形态,按照固定顺序记录下来,就变成了一组密钥。Alice按照这个密钥加密发送的信息,Bob手里已经拿到了解码的密钥,能够顺利解密信息。


    首颗量子科学实验卫星6大创新点:
    ①卫星平台额载荷复合3.5微弧度高精度捕获跟踪和光学对准技术;
    ②近衍射极限的天基量子光发射技术;
    ③天地一体高保真度偏振调控技术;
    ④天地亚纳秒级的时间相对测量技术;
    ⑤天基高亮度量子纠缠源、量子调制和解调技术;
    ⑥星地2.5Gbps/5Gbps高速相干激光通信技术。

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    对密码学感兴趣的看官们我们玩个初级的摩斯密码吧(笑)
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