為什麼量子加密通訊使用光子作為量子,而不是其他的基本粒子?

時間 2021-06-09 23:37:03

1樓:彭曉韜

首先,光子是不存在的。所謂的量子加密通訊只是利用了光的偏振特性而非所謂的量子特性!

其次,無論是利用基本粒子或基本粒子所具有的附屬特性來實現加密通訊,都需要對其進行精密的控制與測量,如果按量子力學的說法,量子一旦被測量就會坍塌成定態且坍塌是隨機的,那麼對其的精密控制與測量就不可能完成或即使是完成了也不可能提取出可用的資訊了。這樣是不可能利用所謂的量子來實驗加密通訊的!

再者,由於目前技術條件下要控制基本粒子的難度遠大小控制光,因此,目前的通訊技術都是建立在對光的控制與測量基礎上的。

2樓:096

其實只有量子保密通訊會要求只能使用光子,而一般的量子計算會使用各種各樣的系統。甚至與量子保密通訊密切相關的量子儲存,也往往會把光子的量子態轉換成其他系統的量子態(如原子自旋等)用於儲存,只要求輸入和輸出都是光子、並且有足夠高的保真度。

量子保密通訊有這樣的要求,是因為光子是各種可以載入量子資訊的量子中,最容易傳輸的一種。載入量子資訊的單光子訊號可以通過單模光纖以極高的保真度和速度傳輸,損耗也相對容易接受(波長1550nm通訊波段,損耗為-0.2dB/km,即每5km衰減1dB)。

雖然這樣的光纖傳輸損耗將點對點通訊距離限制在百公里量級,但這樣的困難理論上是有辦法克服的:一種思路是用通訊衛星在真空中傳輸光子、用無損耗的真空傳輸取代光纖傳輸,還有一種思路是利用糾纏交換建立多個量子中繼節點、構成量子中繼網路。雖然這些基於光量子的遠距離量子保密通訊都還沒有實現民用,但相比於其他系統的量子態(如原子自旋),就有關光纖的成熟技術來看,使用光子載入量子資訊仍是最優的選擇。

另外,現實中用作量子通訊的不僅必須是光子、還只能是幾個特定波段的光子。光纖纖芯的主要材料 的吸收譜如下圖:

可以看到在1550nm波段的光纖損耗最低,這也正是現在的光通訊主要使用的通訊波段。所以有關量子通訊的工作總是希望自己的方案能相容於1550nm的光纖通訊網路。

量子金鑰分發(QKD)聲稱絕對安全,是因為能做到真正的一次一密,相當於有乙個要多長有多長的、沒有關聯的密碼本。這個絕對安全是針對通道上的竊聽者而言的,即QKD保證竊聽者無法通過如「儲存加密的資訊、並設法破解密碼本」這樣的方法獲得資訊。

現實中使用的經典加密演算法,主要包括公鑰體系和私鑰體系兩類。公鑰體系,如比較典型的RSA協議是基於大數分解質因數的困難;但理論已經證明2000 qubit的量子計算機可以輕易破譯1024bit的RSA加密資訊,同時理論上也不排除存在經典演算法(暫未被發現)可以破解RSA密碼的可能性(現在世界各地的超算都有相當一部分計算量被用來做大數分解,RSA所用金鑰的大數長度本身也確實一直在逐年隨超算計算速率的增長而增長)。經典的私鑰體系,都要求在通訊之前先安全地運送密碼本,這個過程通常只能人工完成,並且運送的密碼本通常都遠遠短於加密資訊的長度。

這些問題都使經典加密演算法出現各種各樣的漏洞。

實際上現實中每時每刻肯定都有大量的在經典通道中傳輸的加密資訊被世界各個角落的竊聽者儲存,但由於資訊加密而未造成太大問題。複製和儲存經典資訊(同時隱蔽竊聽者的存在)的成本很低,所以即使暫時破譯不了、也可以先把加密資訊儲存下來等以後破譯了再看。私鑰體系的安全性相對較高,但如果乙個密碼本在到達使用期限之前被破解,那麼過去相當長一段時間內、以及(如果密碼本沒有及時更換的話)未來相當長一段時間內的保密通訊內容都將洩密。

歷史上比較著名的事件,如近期隨著一部電影引起熱議的中途島戰役中,美軍就是破解了日軍沒有及時更換的密碼本,才在隨後的戰役中佔盡先機的。

早期QKD協議(如BB84),用量子通道(光纖或量子通訊衛星)傳送量子態、產生金鑰,然後用經典通道(無論光纖、電纜、還是無線電波等任何通道)傳送加密的經典資訊,能保證「送密碼本的人叛變」、「密碼本被破解」之類的事情不會發生;並且不像RSA或ECC協議一樣依賴「某個數學問題所需要的計算量足夠大」,理論上不存在任何可以破解量子保密通訊的演算法。同時,QKD協議可以在所有通道(包括傳送「密碼本」的通道)全部開放的情況下仍保證資訊保密。但早期的協議大多沒有考慮量子光源或隨機數發生器被第三方控制時的可能,以及單光子源不理想、其中的多光子脈衝被竊聽者利用的可能。

現在隨著基於量子力學的真隨機數發生器的發展、以及誘騙態協議的提出,新的協議已經克服了大多數缺陷,基本上只剩下傳送方或接收方叛變的情況會不安全了。

當然,考慮實際情況,總是存在如「傳送方(接收方)叛變」、「傳送方(接收方)使用的用於編碼(解碼)的計算機被入侵」等可能的情況會造成洩密。但那就是由人控制的了,使用者會通過各種現實手段避免單位計算機被入侵、避免叛變的人接觸機密資訊。作為取代任何經典加密方案的新的加密通訊方案,QKD已經實現了他的目標,即徹底堵死了從傳送到接收的整個通道上的任何洩密可能,既勝過了現在的公鑰體系、令使用量子計算機的攻擊也無法實施,又勝過了現在的私鑰體系、使破解密碼本從「不容易」變成了「不可能」。

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