20189206 2018-2019-2 《密码与安全新技术专题》第三周作业
课程：《密码与安全新技术专题》
班级： 1892
姓名： 王子榛
学号：20189206
上课教师：孙莹
上课日期：2019年3月12日
1.本次讲座的学习总结
基本物理概念
| 量子的概念： |
量子（quantum）是现代物理的重要概念。最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍，从而很好地解释了黑体辐射的实验现象。
后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。
一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的。量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。
| 量子通信： |
量子密钥分发可以建立安全的通信密码, 通过一次一密的加密方式可以实现点对点方式的安全经典通信. 这里的安全性是在数学上已经获得严格证明的安全性, 这是经典通信迄今为止做不到的。现有的量子密钥分发技术可以实现百公里量级的量子密钥分发， 辅以光开关等技术, 还可以实现量子密钥分发网络。 量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量, 实现量子态(量子信息) 的空间转移而又不移动量子态的物理载体, 这如同将密封信件内容从一个信封内转移到另一个信封内而又不移动任何信息载体自身. 这在经典通信中是无法想象的事. 基于量子态隐形传输技术和量子存储技术的量子中继器可以实现任意远距离的量子密钥分发及网络。
| 量子态： |
量子态即一组量子表征，用来表示量子力学某一粒子的运动状态。
量子纠缠：在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。
数学表达：
- 经典信息：比特 0 或 1，可用高低电压等表示
- 量子信息：量子比特（Qubit） |0> ， |1>
- 量子比特还可以处在不同状态的叠加态上
量子态的向量描述：
量子计算的特点：
- 量子计算具有并行性
- 未知量子态不可克隆
- 未知量子态不可准确测量
- 对未知量子态的测量可能会改变量子态
| 量子比特的测量————力学量、测量基 |
测量后的量子态塌缩到此本征值对应的本征态（老师在课上讲了就类似于四种基本的量子态{|0> |1> |+> |->}，在测量时由于选择不同的测量基，用{|0> |1>}基测量|+>态会随机得到|+> 或 |->态，|0> |1>}基测量|1>态会以1的概率得到|1>）
量子密码简介
量子密码术与传统的密码系统不同，它依赖于物理学作为安全模式的关键方面而不是数学。实质上，量子密码术是基于单个光子的应用和它们固有的量子属性开发的不可破解的密码系统，因为在不干扰系统的情况下无法测定该系统的量子状态。理论上其他微粒也可以用，只是光子具有所有需要的品质，它们的行为相对较好理解，同时又是最有前途的高带宽通讯介质光纤电缆的信息载体。
| 使用的密码*： |
- 用公钥密码*分发会话秘钥
- 用对称密码*加密数据
| 量子密码 |
- Shor算法：大数分解算法
- 多项式时间内解决大数分解难题
- 受影响密码*：RSA等大多数公钥密码
- qGrover算法：快速搜索算法
- 可以加速搜索密钥
- 受影响密码*：DES，AES等对称密码
计算能力对比：
- 经典方法：运算时间随输入长度指数增长
- 量子方法：运算时间按多项式增长
| 量子密码 |
结合 量子秘钥的不可窃听性和一次一密的不可破译性 实现 无条件安全的保密通信。
典型协议和基本模型
BB84量子秘钥分配协议
- 量子通信：采用BB84协议，传送量子态光子（量子密钥），运用一次一密的加密手段。为了实现量子通信，采用经典信道和量子信道同时使用的模式。
- 经典信道：传送同步信号、对照数据等。
在光学系统中QKD协议是通过四种量子态来传输信息的。该方案的实施是靠经典信道和量子信道两个信道来实现的，其中前者的作用是使Alice和Bob进行通信密码的协商，也就是在该信道上传递控制信息；后者的作用是使Alice和Bob双方进行量子通信。
BB84协议使用四个光子的偏振态来传输信息，这四个量子态又可以分成相互非正交的两组，而且每组中的两个光子的偏振态是正交的同时这两组又是相互共轭的。如果是单光子通信系统，则这四个量子态分别为：{ |0> |1> |+> |-> }
| 传送过程为： |
- 第一阶段：量子通信
Alice从四种偏振态中随机选择发送给Bob。
接收者Bob接受信息发送方Alice传输的信息，并从两组测量基中随机选择一个对接收到的光子的偏振态进行测量。
- 第二阶段：经典通信
接收者Bob发送信息给信息发送方Alice并告知他自己在哪些量子比特位上使用了哪一个测量基。信息发送方Alice 在接收到Bob发送的消息之后，与本人发送时采用的基逐一比对并通知接收者Bob在哪些位置上选择的基是正确的。
信息发送方Alice和接收者Bob丢掉测量基选择有分歧的部分并保存下来使用了同一测量基的粒子比特位，并从保存的信息中选取相同部分在经典信道中作对比。信道安全的情况下信息发送方Alice和接收者Bob的数据应当是没有分歧的。若存在窃听，则Alice和Bob的数据会出现不同的部分。
- 如果没有窃听，双方将保留下来的剩余的位作为最终密钥。
假如Eve进行窃听，根据物理学中的测不准原理等基本物理规律窃听者的窃听行为肯定会使Bob的QBER值发生变化，这时，通信双方通过误码率的分析就能发现窃听者是否存在。
参考博客连接：https://blog.csdn.net/qq_33316151/article/details/53824874
监听检测
- 一般手段：随机选择部分量子载体，比较初末状态
- 对好的协议：窃听必然干扰量子态，进而引入错误
- 一旦发现错误率较高即存在窃听，则终止通信，丢弃相关数据
- 因为传输的是秘钥，丢弃秘钥不会泄密
- 针对于噪声问题
- 设定一个阈值，当错误率高于这个阈值时丢弃通信数据，反之保留。
- 保密增强：通过压缩秘钥长度，将Eve可能获得的部分秘钥信息压缩至任意小，获得安全秘钥。
- 提高实际系统的抗攻击能力：诱骗态和设备无关态。
2.学习中遇到的问题及解决
- 问题1：量子学的基础知识？
- 问题1解决方案：由于没有量子力学的基础知识，所以对课上老师所说的量子密码没有过多的了解，首先通过百度了解一定的量子基础 ，在百度上看到了很多很意思的实验和相关概念，基于量子通信。
量子纠缠：
位于北京八达岭长城脚下的送信者，要向站在河北省张家口市怀来县的收信者发出一段信息。 这段距离仅有16公里，在晴朗的白天，他们彼此甚至目力可及。只是，这并不是一封信、手机短信或电子邮件，而是好像“时钟指针”一样表示着量子运动状态的量子态。
这已经是量子态目前在世界上跑出的最长距离。6月1日，世界*科学刊物《自然》杂志的子刊《自然·光子学》以封面论文的形式，刊登了这项成果：一个量子态在八达岭消失后，在并没有经过任何载体的情况下，瞬间出现在了16公里以外。实验的名称叫做*空间量子隐形传态，由中国科学技术大学与清华大学组成的联合小组完成。
2017年8月，量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了三大科学实验任务：量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。其中，1200公里的超远距离量子纠缠分发成果登上了国际*学术期刊《Science》的封面；星地间的远距离量子密钥分发与量子隐形传态同时发表在国际*学术期刊《Nature》上。
量子计算机：
你可以想象这样一个惊人的对比：现在对一个500位的阿拉伯数字进行因子分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，而量子计算机却只需大约几分钟。如果量子计算机出现，我们目前自以为安全的一切将不堪一击。那将是一个超级神偷，可以偷走现代文明中人们赖以生存的一切——银行存款、网络信息。它也足够冲破军事或安全系统，调转导弹的轨道，令整个国家陷入混乱与灾难。因此，没有人敢懈怠，“这并不是一项杞人忧天的研究。所有的防御必须出现在进攻之前。”美国科学家的预言就像一个倒计时牌，“量子计算机可能将在50年之后出现。”。
3.本次讲座的学习感悟、思考等）
通过本次课程的学习，第一次接触到了量子密码的概念，当然这也是近几年非常热门的研究方向，通过查找相关资料以及*密码会议上的论文，我们可以发现，越来越多的学者开始研究量量子密码、量子通信。由于我们在课前没有量子学的基础，可能对于老师课上的某些知识或观点不是很了解，但是，这门课仅仅是一个开始，以后会不断地学习这方面的知识。