2017-2018-2 20179203《密码与安全新技术》第1周作业

20179203 2017-2018-2 《密码与安全新技术》第1周作业

课程：《密码与安全新技术》
班级： 1792
姓名： 李鹏举
学号：20179203
上课教师：谢四江
上课日期：2018年3月15日
必修/选修： 必修

一、学习内容总结

1.1 薛定谔的猫

老师用一个经典的思维实验带我们走进了量子密码，薛定谔的猫是什么呢：当把一只猫放到一个放有毒物的盒子中，然后将盒子盖上，过了一会问这个猫现在是死了，还是活着呢？量子物理学的答案是：它既是死的也是活的。有人会说，打开盒子看一下不就知道了，是的，打开盒子猫是死是活确实就会知道，但是按量子物理的解释：这种死或者活着的状态是人为观察的结果，也就是人的宏观干扰使得猫变成了死的或者活的了，并不是盒子盖着时的真实状态，同样，微观粒子在不被“干扰”之前就一直处于“死”和“活”两种状态的叠加，也可以说是它既是“0”也是“1”。由这个有趣的实验向我们介绍了量子纠缠的概念。

1.2 量子通信的原理

谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收放根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。
量子通信系统,按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。但是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此长期以来，隐形传送不过是一种幻想而已。

1.3 量子计算的重大意义

1.3.1 目前的加密算法

• 1.对称密码体制
  1)优势：加密速度快，批量加密
  2)劣势：密钥分配难

• 2.非对称密码体制
  1)优势：密码分配、管理容易，用于签名
  2)劣势：加密速度慢

• 3.混合密码体制
  实际中经常使用，公钥密码加密一个用于对称加密的短期密码，再由这个短期密码在对称加密体制下加密实际需要安全传输的数据。

1.3.2 量子计算的优势

• 1.针对公钥密码算法：Shor算法和大数分解算法
• 2.针对对称密码算法：Grover算法和快速搜索算法

1.4 量子通信协议——BB84协议

BB84协议和之后改进的B92是国际上首个量子密钥分发协议，从1984年国际上提出以来，增加安全通信距离、提高安全成码率和提高现实系统安全性，成为开发实用性量子密钥分发的三大目标。
协议的运行流程总结如下：

首先，Alice和Bob共享两个极化基(photom polorization bases) D和R；
D和R可以被理解为两台“机器”，他们都能各自生成和测量对应0，1的量子比特（quantum bit, qbit），如下图所示。

另一个关键就是，如果将D生成qbit给R进行测量，测量结果不可预测。也就是说，如果用R来测量由D生成的Qbit，测量结果的意义就和直接猜差不多。

接下来开始做密钥协商，通信首先是在量子信道上进行。

1. Alice选出一个0-1 bit串S（比如）；
2. Alice 逐位随机选取D或R，然后通过量子信道发送S里0，1对应生成的量子态（qbit）；
3. Bob通过量子信道收到Alice发送的信息后，随机使用两个极化基D和R来一位一位地测量量子态，逐个得到0，1；
4. Bob 通过公共信道向Alice发送部分自己的测量步骤，即告诉Alice自己在每个Qbit上用的到底是D还是R来做测量；
5. Alice 对比自己的选择和Bob的选择，然后告诉Bob他在哪些位置上用的D和R是正确的；
   这些正确位置在S，即Alice先选择的串中，唯一确定了另一个0-1 bit串，不妨称之为 pms，类似TLS的pre-master secret
6. Bob收到Alice的回应后，随机选择若干个他在正确位上的测量结果告知Alice；
7. Alice确认Bob的正确性。如果Bob出错，则回到1.或者终止通信，否则Alice给Bob发确认信息，同时从pms串中剔除 Bob公布的部分，剩下的作为通讯密钥；
8. Bob收到Alice的确认信息后，同样从pms中剔除 Bob公布的部分，剩下的作为通讯密钥。

二、学习中的问题和解决过程

2.1 量子通信普及的可能性？

老师上课时说到这个，说量子通信网正在建设过程中，而且已经逐步的融入到政府办公的体系当中了，但是我还是要问这样的量子通信是实际说的量子通信吗？真正的量子通讯是利用量子纠缠理论不依赖时空的通讯。那样我们跟火星之间通讯也不会有严重延迟，更不会有中间物体比如天气等的影响。这样的通信方式在我看来很匪夷所思，而且由于其通信的迅速性，我相信想要对其进行监听或者信息拦截十分的困难，如果真的推广民用化，那么一些危险信息的监听控制不就变得难以实现了吗？

2.2 量子计算的应用

量子计算拥有许多优势：1. 量子计算的计算能力要比经典计算要强。但是至于强多少，现在没有严格的证明，这一点我已经说了很多次了。2^N只是人们构想的。量子计算可以到达的计算空间是post-BQP，至于这个post-BQP到底有多大，没有人知道。2. 量子计算机的速度要快。我们只是已知所有的经典计算都可以有效的变成量子计算。至于量子计算能快多少，我们也不知道。是不是有量子算法可以有效的解决NP-Hard，甚至有效的解决P-space，甚至更快。这些都还有待研究。3. 量子计算节能。由于量子计算都是unitary operator（幺正），是可逆的计算。也就是说只有在一次量子计算结束时（测量量子态时）才会出现熵增。这个也是量子计算在物理意义上的优势。经典计算永远不可能有这个优势。但是在这些优势的前提下，量子计算真的推广到民用有什么用处呢，老百姓貌似很难从高速计算中获利，量子计算还是应当应用于研究领域，会加快许许多多东西的计算和发展，但是直接应用在生活中估计很难见到。

三、学习感悟

量子计算、量子通信是一个非常火爆的热门话题，但是就像我在上文中提到的与一些其他的技术相比，民用推广较困难，因此一直不懂这是什么，这次老师通过一个个实验和具体的应用深入浅出的向我们展示了量子计算的真面目，让我对量子计算产生了很高的兴趣，希望接下来可以深入了解学习。