量子密码教学课件.ppt

 量 子 密 码 学 ——量子密钥分配  一、量子密码的起源 1969年哥伦比亚大学的学者S.Wiesner（威斯纳）最先提出利用量子效应保护信息，开创了量子密码的先河，遗憾的是没有引起量子密码的蓬勃发展 十年之后，IBM的研究人员Bennett（贝内特）和加拿大的G.Brassard（布拉萨德）在第20次IEEE计算机基础会议上讨论了威斯纳的思想，自此之后，量子密码学才缓慢发展起来。90年代之后，量子密码受到高度重视，取得了迅速进展 二、量子密码的主要内容 量子密钥管理 量子密钥管理包括量子密钥产生、分配、存储和校验等几个部分，其中在理论上和技术方面最成熟的是量子密钥分配 量子密码算法 与经典密码一样，量子密码的目的也是为了有效保护信息，并且这种保护也是通过变换实现的 量子认证 量子认证是量子密码中的一个重要组成部分，内容涉及量子认证码、量子签名以及量子信道认证等 量子秘密共享 量子秘密共享已经成为量子密码的一个重要研究方向，在理论和试验上都取得了初步进展 量子密码安全协议 量子密码安全协议主要包括量子掷币、量子比特承诺、量子不经意传输、量子安全多方计算等 三、量子密码的基础 1、量子比特和希尔伯特空间 在经典力学中人们利用位置和动量来描述质点的运动。质点在各个方向的位置和动量构成一个描述质点运动的空间，空间中的一个矢量代表系统的运动状态，这个空间是一个多维的线性的实数空间。类似的在量子力学中用一个多维的线性的复数空间来描述量子系统，这种空间称之为希尔伯特（Hilbert）空间。因为微观量子具有波粒二象性，既是粒子又是波。波具有相位，需要用复数描述，所以使用复数空间。 希尔伯特（Hilbert）空间的一个单位矢量代表一个量子态。代表量子态的矢量简称为态矢量。空间可以由一组相互独立的正交的基矢组成，空间的维数是指相互独立的基矢的数目。态矢量在各基矢上的分量是一个复数乘以该基矢。 就像经典比特有一个状态或0或1，量子比特也有一个状态，量子比特的可能状态是 或 ，经典比特和量子比特的区别在于，量子比特的状态可以落在 和 之外，量子比特可以是状态的线性组合，常称之为叠加态。例、 其中a和b均为复数 对于量子比特 和 定义一下运算：其中 1）、内积 其中 和 分别是a,b的共轭复数，可见内积结果是数。 2）外积 量子态自身的外积是 ，是一个算符且有 3）投影算符 以 和 两个投影算符： 和 2、量子密码的安全性基础 量子密码的两个基本特征是：无条件安全性和对窃听的可检测性 。所谓密码系统的无条件安全性是指在攻击者具有无限计算资源的条件下仍不可能破译此密码系统。 所谓对窃听者或其他各种扰动的可检测性是指两个用户之间通信受到干扰时，通信者根据测不准原理可以同步检测出干扰存在与否。 上述的两个特征的理论基础是： 1）、海森堡测不准原理 2）、量子不可复制定理 1）、海森堡测不准原理 “海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，又名“测不准原理”、“不确定关”，由德国物理学家海森堡于1927年提出。 该原理表明：一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。 2）、量子不可复制定理 不可复制原理，也称作不可克隆原理，是 “海森堡测不准原理”的推论，它表明：在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的。 如果量子态是已知的，我们可以重复的制备它。困难在于我们不能通过单次测量来获知量子系统的确切特性。因为一旦进行测量，原来量子态就改变了，测得到结果只是组成此量子态的各种可能状态之一。 四、量子密钥分配协议 BB84协议 BB84协议是量子密码中提出的第一个密钥分配协议，由IBM公司的Bennett（贝内特）和加拿大的G.Brassard（布拉萨德）在1984年首次提出。BB8