密鑰分發(fā)、秘密共享、安全直接通信模式……
量子密碼術(shù)：幫“鮑勃”和“愛麗絲”傳悄悄話
我國(guó)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工作示意圖 圖片來自網(wǎng)絡(luò)
今日視點(diǎn)
本報(bào)記者 聶翠蓉
鮑勃與愛麗絲，他們是誰？?jī)扇耸裁搓P(guān)系？是不是遠(yuǎn)隔異地的戀人，每天有說不完的悄悄話？
其實(shí)這兩個(gè)名字，只是在密碼學(xué)和電腦安全中的慣用角色，他們不一定是“人類”，有可能是一個(gè)電腦程序。
上世紀(jì)80年代，量子物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，利用量子力學(xué)的基本原理，可以保證信息從鮑勃傳給愛麗絲的安全性，這就是“量子密碼術(shù)”。近日，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了南京郵電大學(xué)盛宇波博士，請(qǐng)他介紹了鮑勃與愛麗絲如何利用這些量子技術(shù)進(jìn)行安全對(duì)話。
量子密鑰分發(fā)——
最接近實(shí)用化的量子技術(shù)
量子通信就是利用量子力學(xué)基本原理實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，而量子保密通信是量子通信的最主要分支，是以保密通信為主要任務(wù)，包括量子密鑰分發(fā)、量子秘密共享和量子安全直接通信三個(gè)主要方向。而量子安全直接通信是唯一一個(gè)由我國(guó)科學(xué)家龍桂魯教授獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)，盛博士長(zhǎng)期從事這方面的研究。前不久，清華大學(xué)的張巍與盛宇波等科學(xué)家合作，在兩公里的環(huán)形光纖中首次實(shí)現(xiàn)500米范圍內(nèi)的量子安全直接通信，將該技術(shù)向?qū)嵱没M(jìn)程再次推進(jìn)。
盛博士介紹，量子密鑰分發(fā)模式在1984年創(chuàng)立，當(dāng)時(shí)兩位科學(xué)家班尼特和布拉薩德提出了第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議（BB84協(xié)議），之后Bennett-92、Ekert-91、BBM92等協(xié)議相繼提出。目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了400公里的量子密鑰分發(fā)，是最接近實(shí)用化的量子技術(shù)。我國(guó)的量子京滬干線、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星等的科學(xué)目標(biāo)之一也是量子密鑰分發(fā)。
當(dāng)鮑勃與愛麗絲相互發(fā)送信息時(shí)，量子密鑰分發(fā)技術(shù)通過分發(fā)量子密鑰能判斷是否被竊聽，如果沒有被竊聽，鮑勃會(huì)將信息發(fā)送給愛麗絲，如果被竊聽，“他”會(huì)放棄傳輸數(shù)據(jù)。
量子秘密共享——
鮑勃與愛麗絲間的第三者
量子秘密共享模式在1999年由三位科學(xué)家建立，他們提出了這種模式的第一個(gè)協(xié)議。該技術(shù)與量子密鑰分發(fā)有很大類似性，可以看成是多方參與的量子密鑰分發(fā)模式。
在量子秘密共享中，鮑勃在發(fā)送信息給愛麗絲的時(shí)候，為了給信息加密，“他”會(huì)在分發(fā)密鑰給愛麗絲的同時(shí)，也將密鑰分發(fā)給第三方，愛麗絲需要與第三方合作，才能破譯鮑勃的密鑰，獲得傳過來的信息內(nèi)容。
因此，量子秘密共享模式傳輸?shù)囊彩请S機(jī)密鑰，需要再使用經(jīng)典通信才能完成信息傳送。而量子密鑰和量子秘密共享兩種技術(shù)存在一個(gè)問題，人們總是在信息泄露發(fā)生之后才能發(fā)現(xiàn)竊聽存在，而此時(shí)竊聽者已然獲得了信息。為解決這個(gè)問題，物理學(xué)家們使用一種叫做“一次一密”的方法來加密原始信息，但加密后的信息通過普通而非量子的通信信道來傳送并解密。
量子安全直接通信——
在信息泄露前發(fā)現(xiàn)竊聽
如果物理學(xué)家們能夠在發(fā)送信息之前確保信息傳輸?shù)陌踩?，能否不使用“一次一密”的方法?000年，清華大學(xué)龍桂魯教授首創(chuàng)了量子安全直接通信的模式，不需事先建立密鑰，可利用兩個(gè)糾纏粒子的量子原理直接傳輸秘密信息，既能發(fā)現(xiàn)竊聽，還能保證發(fā)現(xiàn)竊聽之前的信息不泄露。
盛博士介紹了該技術(shù)的保密原理。信息發(fā)送者愛麗絲留有每對(duì)糾纏中的一個(gè)光子，把另外一個(gè)光子發(fā)送給信息接受者鮑勃。鮑勃把他收到的光子隨機(jī)分成兩組，測(cè)量其中的一組光子并把測(cè)量結(jié)果公開發(fā)給愛麗絲。愛麗絲根據(jù)測(cè)量結(jié)果核對(duì)傳輸后的粒子狀態(tài)有沒有被改變，如果改變了，那么說明被竊聽了。如果沒有被竊聽，那么愛麗絲和鮑勃就可以用剩下來的光子來直接傳輸安全信息。
盛博士表示，通過理論分析，他們的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)幾十公里的量子安全直接通信。這種方式既可同時(shí)作為密鑰分發(fā)，還可用于構(gòu)造量子對(duì)話、量子簽名等新協(xié)議，是多用途的量子通信基本協(xié)議。
（科技日?qǐng)?bào)北京11月27日電）
［本文轉(zhuǎn)自《科技日?qǐng)?bào)》2017年 11 月 28 日第 2 版。］
