25、量子密钥分发：原理、协议与安全挑战

量子密钥分发：原理、协议与安全挑战

1. 引言

量子密钥分发（QKD）利用量子力学原理保障通信安全。它能让通信双方生成只有他们知晓的共享随机比特串，可作为密钥对消息进行加密和解密。量子密码学的一个重要特性是，通信双方能够检测到试图获取密钥的第三方的存在。这源于量子力学的基本原理：对量子系统的测量通常会干扰该系统。第三方试图窃听密钥时，必然会以某种方式进行测量，从而引入可检测的异常。利用量子态（如量子叠加态或量子纠缠态），可以设计和实现一个通信系统，该系统能够检测窃听的程度，进而在进行校正后实现可证明的安全通信。

2. 标准密码学

2.1 密码学基础

密码学是设计代码和密码的艺术，而密码分析则是破解它们的艺术。密码学是这两者的结合。在密码学文献中，待加密的信息称为明文，用于转换明文的加密函数的参数统称为密钥。

2.2 传统与现代密码技术

• 传统密码技术 ：可追溯到几个世纪前，主要基于置换（重新排列明文）和替换（改变明文字符）操作。传统技术设计简单，但要实现高度保密则需要极长的密钥。
• 现代密码技术 ：依赖复杂的算法或难解的问题来确保安全性，主要分为公钥加密和私钥加密两个分支。
  • 公钥加密 ：消息交换使用的密钥依赖于某些数学问题的计算难度，通常是两个极其大（100 位以上）质数乘积的因式分解。每个参与者都有一个“公钥”和一个“私钥”，公钥用于他人加密消息，私钥用于参与者自己解密消息。
  • 私钥加密