:技术前沿：“绝对安全”的量子密码

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人们说量子密码具有绝对安全性，意思是指量子密码不可能用数学方法破解，要窃密只能用物理方法攻击设备。在对传统密码的破解中，主要考虑数学破解，是因为用数学就“有可能”破解它们，而不是“只有”用数学才能破解它们。量子密码术和传统密码术的对比，是量子密码术面临的威胁只来自物理，传统密码术面临的威胁来自数学加物理！也就是说，只要量子通信设备是可靠的，那么就绝对不会泄密。

人们说量子密码具有绝对安全性，意思是指量子密码不可能用数学方法破解，要窃密只能用物理方法攻击设备。也就是说，如果设备是可靠的，那么就绝对不会泄密。

传统密码术

密码术的基本目的是为了解决一个问题：如何在不安全的信道上，安全地传输信息？

解决办法是通信双方隐藏一些信息，在不安全的信道上只传送密文，用这些隐藏信息把密文还原成明文。这些隐藏信息就叫作密钥。所有的密码术都包含两个元素：密钥和算法。

动态 | 阿里公益平台将使用区块链技术让公益时可记录、可分享、可激励:据阿里巴巴集团方面介绍，用户在互联网上的爱心捐赠、捐步、种树等公益行为都有了统一的价值量化标准——公益时。这些公益时不仅可以用于兑换试点城市“时间银行”的养老服务，公益时用户还可以获得免费使用机场贵宾厅、免费领取志愿者保险、免费体检等日益增加的权益。阿里巴巴3小时公益平台还将使用区块链技术，让公益时可记录、可分享、可激励。（新华网）[2019/12/24]

现在的绝大多数加密方法，都是基于某种数学问题的单向困难性。也就是说，一个问题沿着正方向解决很容易，你可以用它来加密，但逆方向就很困难，导致破解很困难。

现在最常用的密码体系——RSA密码体系的三位发明者

为什么许多曾经被认为牢不可破的密码体系，最终都被破解了呢？有一个深刻的原因是，在数学上，任何一个实际在用的问题都没有被证明是单向困难的。实际上，就连单向困难的数学问题是否存在，我们都还不知道。

声音 | Fxstreet分析师：短期技术修正可能让BTC回到8300美元:据Fxstreet分析师Tanya Abrosimova的观点，当前强烈的看涨情绪主导了市场，但BTC也很容易出现短期看跌修正，如果出现修正，前高点8300美元将作为支撑，随后是8150美元。不过随着反弹的继续，BTC的下一个看涨目标为9500美元和9800美元。[2019/5/27]

　　因此，我们应该有个基本的概念：所有基于数学的密码的安全性，都是未经证明的！到目前为止，唯一的已经证明不可能被数学破解的密码就是量子密码。因此，量子密码的价值一目了然。

量子密码术

量子密码术是怎么实现保密的呢？跟传统密码术一样，也是通过算法和密钥。实际上，量子密码术用的算法还是个特别简单的算法，简单到三言两语就能说清楚。

任何一串信息，都可以表示成一串二进制字符，即一串0和1。对这个01字符串的每一位数字a，我们都给它一个对应的密钥k，这个k也是一个0或1的数字。根据a和k，就可以算出对应的密文b，它也是一个0或1的数字。

动态 | 湘港拟共建区块链技术应用联合实验室:据科技日报消息，在长沙召开的“深化合作创新，助推湘港繁荣”对接交流会上，湖南省产业技术协同创新研究院、湖南通信服务有限公司与香港应用科技研究院三方共建的区块链技术应用联合实验室揭牌。湖南省科技厅党组书记童旭东表示，联合实验室的落地，有助于促进香港先进技术成果和管理模式向内地纵深应用和转化。希望以实验室为中心平台，构建湖南省区块链产业生态圈，并建设一批具带动力的示范工程。下一步，双方还将考虑建立科技合作基地、香港应科院湖南分院等模式，继续深化科技合作，服务创新型湖南建设。[2018/12/3]

对应的规则是：如果k=0，那么b就等于a；如果k=1，那么b就等于0和1中不等于a的那一个。也就是说，k=0就把0变成0，1变成1，而k=1就把0变成1，1变成0。再简单一点说，k=0就不变，k=1就将0和1互换。这个算法叫作“异或”。

你也许会感到奇怪，那么多复杂的算法都保不了密，这个最简单的算法凭什么可以？

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诀窍不在于算法，而在于密钥。请注意，这里的密钥不是只有一位数字。如果只有一位数字，那当然完全没有保密效果。实际情况是，对于原文的每一位，都相应地有一位密钥。也就是说，如果原文的长度是n位，那么密钥的长度也是n位。如果原文像《红楼梦》那么长，那么密钥也需要这么长。

《红楼梦》

另外，这串密钥的字符串还必须是个随机的字符串。也就是说，每一位都是随机的0或者1，任意两位数之间，没有任何联系。

此外，这么长的密钥，还只能用一次。也就是说，你这次用n位的密钥传输n位的原文，下次你传同样的内容，还必须从头再来，重新构造n位的密钥，千万不能把原来的密钥再用一次。这叫作“一次一密”。

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量子密码术中的密钥就是满足这样3个条件的字符串：长度跟明文相等，随机，一次一密。

为什么要这样做呢？因为这样就绝对不会被数学方法破译。为什么不可能被破译？因为这样的一段密文，可能对应任何的一段跟它等长的明文，而且概率相等。比如说，既可能对应“明天上午向东进攻”，也可能以同样的概率对应“后天下午向西撤退”或“飞出地球移民宇宙”……

对这样没有任何偏向性的密文，数学分析完全无从下手，因为这里根本就没有一个让你解决的数学问题。

长度跟明文相等、随机、一次一密，满足这3个条件的密钥叫作“一次性便笺”。因此，密码学中一个重要的定理就是：用一次性便笺加密的密文，是绝对不可破译的。这条定理是信息论的创始人克劳德·香农证明的。

克劳德·香农

值得注意的是，一次性便笺中的3个条件缺一不可。无论是密钥长度小于明文，还是密钥的各位之间有联系，还是同一串密钥用了两次，都会导致密文呈现某种结构，这样对手就有了着力之处，就可能通过频率分析之类的手段破解密码。

一次性便笺方法早在第一次世界大战的末期就发明了，但很少实际应用。原因是，传送这样大量的密钥非常困难。如果像《红灯记》《潜伏》等谍战片一样，派信使去传密钥，那么一旦信使被抓或叛变，损失将十分巨大。因此，一次性便笺方法只用在不惜任何代价要保证信息安全的地方，例如国家元首之间的通话。

量子密码术改变了这种状况，它的办法是：用量子力学的物理方法，在通信双方之间产生一次性便笺密钥。这里的关键是：双方同时获得了密钥！没有第三者信使在中间传输！

这是非常巧妙的思想，是量子力学创造的奇迹。量子密码术的技术含量，就是表现在这里。量子密钥的产生过程，同时就是分发过程，因此量子密码术又有个专业名称，叫作“量子密钥分发”。

量子密钥分发

那么，量子密码术是怎么实现无信使的密钥分发的呢？一个简略的解释是：量子密码术利用了量子力学中的两个原理，一个是叠加原理，另一个是测量可能导致状态突变。基于这两个原理，通过发射和接收一系列处于随机状态的单光子，来使通信双方获得一串相同的随机字符串。这串随机字符串就是一次性便笺密钥。

量子力学中的叠加

量子力学中的测量

通过一系列操作以后，双方都获得了一串随机的0和1，比如说0010111001001010101……最重要的是，双方的这个字符串完全一样。这就是最终的效果。

有了密钥之后，就用“异或”加密算法，用密钥把明文加密成密文，把密文发送出去。既然密文已经是不可破译的了，这一步就不需要任何特别的设备，直接在传统信道上大摇大摆地走就是了，敌方截获也无妨。

一个常见的误解，是以为最后的信息传送要通过某种量子信道。当他们知道传统信道就行的时候，就感到大惑不解，甚至以为搞量子通信的都是子。

另一个常见的误解，是以为密钥也要通过传统信道传输。这是绝对不可能的，如果要将密钥通过不安全的信道发出去，那就完全失去了保密的意义。任何密码系统都不会愚蠢到这种程度。

总结一下，量子密码术真实的做法是：用量子信道产生密钥，用传统信道传送密文。你也许想问：既然量子信道可以保证不泄密，那为什么不直接用量子信道传输信息，而只是传输密钥呢？因为这种量子力学的操作只能产生随机字符串，随机字符串的信息量是零，所以这种操作本身不能传输信息。因此，这种方法的提出者在很长时间内想不出它有什么用，直到发现这段随机字符串可以作密钥，才让这种方法有了用武之地。

量子密码的攻防

如果需要破解量子密码，又该怎么办呢？基本的框架其实很简单。既然数学方法不可能破译量子密码，那么唯一的途径当然就是物理方法，用各种手段入侵量子通信设备。

在对传统密码的破解中，主要考虑数学破解，是因为用数学就“有可能”破解它们，而不是“只有”用数学才能破解它们。

因此，量子密码术和传统密码术的对比，并不是前者的威胁只来自物理，后者的威胁只来自数学。应该是量子密码术面临的威胁只来自物理，传统密码术面临的威胁来自数学加物理！

量子密码术现在的研究前沿，就是在假定敌方成功地进行了若干种物理攻击的前提下，仍然能够保证信息不泄露。

一个研究前沿叫作“测量仪器无关的量子密钥分发”。这个术语的意思是，即使敌方获取了我们的测量仪器，我们仍然有办法及时发现并中止生成密钥，从而避免泄露信息。这方面的实验验证已经成功，下一步是提高成码率的问题。在这个领域，中国也走在世界前列。

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