从光纤到量子:alice与bob之间的通信加密算法演变
" 随着"墨子号"卫星成功发射,量子通信第一次正式与世人见面。但为什么说量子通信技术备受追捧,在这当中就不得不聊聊通信安全这点事儿,而对于量子通信中的加密传输就绕不开alice和bob之间的"纠葛"。 alice初遇bob 咳咳,讲故事之前先科普才是一个称职的小编,alice是谁？举个简单的栗子:如果说bob是收件人,那么alice就是发件人。 就像是八点档的狗血电视剧,两个相爱的人之间一定会存在第三者,而这个第三者就是窃听alice和bob之间相互通信的邪恶eva,eva不仅会窃听通信内容,还会拦截甚至是串改alice给bob"信"。 然而,说起alice 之所以能够遇见 bob,算起来这还要归功于 rivest的"灵光一闪"。rivest是谁？rivest 不仅是 rsa 之父,也是 alice 和 bob 之父。rivest表示,alice 和 bob 的诞生是为了避免在描述中使用 a 和 b,又因为他们分别以 a、b 开头,所以在算式中,仍然可以简洁地用 ea、eb 这 样的形式区分。而创建一男一女两个角色,并不是为了给读者什么编罗曼史的机会,而是为了在描述时,可以方便地用她 (she)和他(he)来指代而不至于混淆。至于为什么会是 alice 和 bob 这两个名字跳了出来,rivest 自己猜测可能因为自己比较痴迷《爱丽丝梦游仙境》。只是他没有料到 alice 和 bob 会成为行业惯例,知名度甚至超过了自己。(随后,又出现了eva、carol 、dave......) alice 和 bob 的首登场 via alice、bob联手大战eva:加密通信斗法开始 alice和bob为了抵抗eva的恶意破坏,开始使用加密通信,于是,在1977年rsa公钥加密算法出现。该加密算法是由罗纳德·李维斯特(ron rivest)、阿迪·萨莫尔(adi shamir)和伦纳德·阿德曼(leonard adleman)一起提出的。1987年首次公布,当时他们三人都在麻省理工学院工作。rsa就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的(大家有没有发现这几位科学家在取名字方面好任性啊)。rsa是目前最有影响力的公钥加密算法,它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击,已被iso推荐为公钥数据加密标准。 到2008年为止,世界上还没有任何可靠的攻击rsa算法的方式。今天只有短的rsa钥匙才可能被强力方式解破。只要其钥匙的长度足够长,用rsa加密的信息实际上是不能被解破的。和其它加密过程一样,对rsa来说分配公钥的过程是非常重要的。分配公钥的过程必须能够抵挡一个从中取代的攻击。假设eve交给bob一个公钥,并使 bob相信这是alice的公钥,并且她可以截下alice和bob之间的信息传递,那么她可以将她自己的公钥传给bob,bob以为这是alice的公钥。eve可以将所有bob传递给alice的消息截下来,将这个消息用她自己的密钥解密,读这个消息,然后将这个消息再用alice的公钥加密后传给alice。理论上alice和bob都不会发现eve在偷听他们的消息。今天人们一般用数字认证来防止这样的攻击。 但在分布式计算和量子计算机理论日趋成熟的今天,rsa加密安全性受到了挑战。rsa算法基于一个十分简单的数论事实:将两个大质数相乘十分容易,但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难,因此可以将乘积公开作为加密密钥。 bb84、b91、b92量子保密通信协议抵抗eva 随着alice和eva双方的斗法升级,rsa加密算法转战量子通信领域。量子保密通信真正进入科学家的视野是在1984年。这一年,ibm华生实验室工程师本奈特(charles bennett)和布拉萨德(gilles brassard)提出了全新的bb84保密通信协议。量子的某些基本物理特性开始成为保密通信中的主角。 和其他的保密通信协议一样,本奈特和布拉萨德的方案中也有一个信息发送者alice和一个接收者bob。不同的是,alice用光子的不同偏振态来传输密钥的键值。alice按照直线(上下或左右)或者对角线(与垂直呈45度夹角)偏振的方式发出携带着不同信息的光子。bob收到光子后,并不知道发送方式,只能随机选择测量方式。当他的测量方式与alice的相同时,就能得到正确的密钥值,如果测量方式错误,光子就有一半概率给出错误的密钥值。最后,alice可以通过公开渠道告诉bob正确的测量方式,从而筛选出正确的键值构成密钥。 如果有人企图窃听又会如何呢？按照海森堡测不准原理,任何测量都无法穷尽量子的所有信息。因此,窃听者要复制一个完全相同的光子根本是不可能的事情。他只有在中途拦截光子进行测量,然后按照测量到的信息发送一个相同的粒子。与bob一样,窃听者eva这时只能随机选择测量方式。而按错误测量方式得到的信息必然会误导她发出错误的光子信号。当alice与bob对照密钥时,这些蛛丝马迹就会"供出"窃听者的存在。 eva用错误方式接收光子的概率为50%,而bob有50%的可能用正确方式接收这个光子,因此每窃听一个光子,窃听者有25%的可能被发现。这似乎是一次成功的窃听。但往往密钥并非只由一个光子信息组成,当密钥长度增长至72个光子时,eva仅有十亿分之一的可能不被发现。 1991年,英国科学家埃克特(art r ekert)又提出了一套新想法。在这套被称作e91的通信协议中,量子纠缠态被用于传输和保证信息安全。根据这种被爱因斯坦称作"幽灵般超距作用"的量子行为,两个粒子经过相互作用后似乎就具有了某种"心电感应":无论距离多远,只要一个粒子的状态发生变化,另一个粒子也会改变状态。这种"心电感应"几乎是在瞬间发生,远远超过光速。 如果alice和bob各持有这样一个粒子,alice只要对粒子进行某种操作,这个信息就会瞬间传输到bob处。在e91协议中,alice和bob先各自随机选取方式对各自的粒子进行测量,然后选取双方使用了相同测量方式得到的结果作为密钥。而要检测是否有窃听者,alice和bob只要挑选出他们使用了不同测量方式的粒子,检测它们是否仍然是纠缠粒子对就可以了。如果两个粒子不再具有"心电感应",那必定有人在传输途中"偷梁换柱"。 e91、bb84及其1992年的变体b92协议是构成了目前应用最广泛的量子保密通信体系。或将它们稍加变化,或互相借鉴,科学家们希望籍此实现最安全、有效、便利的保密通信。 alice和eva量子通信大战成现实 随着"墨子号"量子实验卫星的成功发射,alice和eva这两方通信大战开始升级到量子领域。而墨子号"量子实验卫星就是基于bb84协议的单光子偏振编码量子密钥分发。这颗实验卫星的发射终将alice和eva纸上谈兵的加密算法变成现实。 量子加密通信方式是量子隐形传态。它能把粒子a携带的量子信息传递到另一个粒子b上,且无需传递粒子b本身。量子隐形传态的基本过程是:让粒子1和粒子2进入纠缠态,然后粒子1留给alice,粒子2给bob；alice有携带量子信息的粒子3。她对粒子1和粒子3同时测量,获得一个测量结果。alice把这个测量结果通过公开信道发送给bob；bob根据测量结果,对粒子2进行逆运算,这时粒子2携带了粒子3上的量子信息。注意,根据量子不可复制原理,粒子3携带的量子信息会消失。 根据量子不可复制原理,偷听者eve如果试图复制发给bob的粒子2,那么粒子2的量子态将被破坏；如果eve只偷听了alice发出的测量结果,手头没有处于纠缠态的粒子2,他也无法完整复原信息。换句话说,alice发送的的一部分信息包含在纠缠的量子中,另一部分包含在测量结果中。要复现量子信息,二者缺一不可。 简单来讲就是,alice想给 bob 一封信。墨子号可以将许多组每组两颗纠缠态光子拆开,发射给alice和bob。当alice"观测"这些光子,就像用手去触摸了它们一样,会让这些光子发生形态变化。同时,发射给bob光子也会产生一模一样变化。把这些光子的形态,按照固定顺序记录下来,就变成了一组密钥。alice按照这个密钥加密发送的信息,bob手里已经拿到了解码的密钥,能够顺利解密信息。 首颗量子科学实验卫星6大创新点: ①卫星平台额载荷复合3.5微弧度高精度捕获跟踪和光学对准技术； ②近衍射极限的天基量子光发射技术； ③天地一体高保真度偏振调控技术； ④天地亚纳秒级的时间相对测量技术； ⑤天基高亮度量子纠缠源、量子调制和解调技术； ⑥星地2.5gbps5gbps高速相干激光通信技术。