为什么窃听者会引入量子密钥分发的误码率

　　量子通信中的信息安全技术及比较
　　通信是发送者通过某种媒体以某种格式来传递信息到收信者以达致某个目的。在古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警、符号、身体语言、眼神、触碰等方式进行信息传递。到了今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了无线电、固定电话、移动电话、互联网甚至视频电话等各种通信方式。通信技术拉近了人与人之间的距离，提高了经济的效率，深刻的改变了人类的生活方式和社会面。
　　自1 9世纪进入通信时代以来,人们就梦想着像光速一样(甚至比光速更快)的通信方式.在这种通信方式下,信息的传递不再通过信息载体(如电磁波)的直接传输,也不再受通信双方之间空间距离的限制,而且不存在任何传输延时,它是一种真正的实时通信.科学家们试图利用量子非效应或量子效应来实现这种通信方式,这种通信方式被称为量子通信.与成熟的通信技术相比,量子通信具有巨大的优越性,已成为国内外研究的热点.近年来在理论和实践上均已取得了重要的突破,引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视.从人类信息交流和通信的演化进程，我们可以清楚地体会到信息技术的不断发展。现代信息技术具有强大的社会功能，已经成为21世纪推动社会生产力发展和经济增长的重要因素。
　　信息技术在改变社会的产业结构和生产的同时，也对人类的思想观念、思维方式和生活方式产生着重大而深远的影响。展望未来5-10年信息产业的发展，不是创新，而是各类通信技术大融合、技术大应用，以应用来带动创新，以应用来提高服务——当前出现的热点话题“云计算”、“物联网”等都是应用的体现。哪个国家信息技术应用水平高，技术整合程度成熟，哪个国家就占领了未来信息世界的高点。这也势必将导致力量对比和世界格局的新变化。
　　要说到量子通信中的信息安全技术，就不得不提到量子密码技术。传统密码学的安全依赖于密钥，密钥的分配是一大难题。尽管公钥密码系统解决了密钥分配问题，但它基本上都基于如大数的分解和离散对数问题等数学难题。一旦计算速度或计算方法有质的飞跃，他们不再安全。而量子密码技术很好的从量子力学原理方面解决了密钥安全传输问题，在加上传统的一次一密系统，则可构建一个不可破的完全保密系统。
　　我们先来简要说说传统密码学。密码学包括两部分内容：一是使消息保密的技术和科学，即密码编码学；二是破译密文的科学和技术，即密码分析学，两者既矛盾，又相互依存相互促进。而在1949 年之前，密码学只能说是一门艺术，而不是一门科学，但claude.e.shannon的《保密系统的信息理论》发表使得密码学有了理论基础，从而成为了一门科学，此后，密码学得到了长足发展。传统密码学在现实社会中得到了广泛的应用，但近年来随着量子计算机的提出，使得当前的密码系统面临着巨大危机：一旦量子计算机问世，传统密码学将受到量子力学原理的灾难性的打击。量子计算机有着巨大的并行运算能力，对它而言，大整数的分解不再是难题。R S A 方案密码系统将不再是安全的了。同时，D E S 方案密码系统也可以由量子搜索方法破译。所有基于传统密码学保密的信息都不再是保密的了。但幸运的是，同时我们也可以利用量子力学原理建立起一套更为安全可靠的密码体系—量子密码体系，它的理论基础不再是基于数学难解问题，而是量子力学。
　　现在我们来看看量子密码学。它分为量子力学和量子密码学
　　1. 量子力学
　　在经典物理学中，物体的运动
　　轨迹仅由相应的运动方程所描述和决定，不受外界观察者观测的影响，或者说，这种影响太小而可完全被忽略。但是，在微观的量子世界中，观察量子系统的状态将不可避免地要破坏量子系统的原有状态，而且这种破坏是不可逆转的。根据海森堡的测不准原理，测量这一量子系统会对该系统产生干扰并且会产生出关于该系统测量前状态的不完整信息。“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，它表明，在同一时刻以相同的精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的推论，它说
　　明，在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态，所以说不可能。
　　2. 量子密码
　　利用量子的上述特性，我们可以用它来解决密钥的分配问题。设计出无条件安全的密码(传统密码学在计算上是安全的，即通过计算可以找出密钥，但计算时间太长而不现实)。量子密码装置一般采用单个光子实现，根据海森堡的测不准原理，测量这一量子系统会对该系统产生干扰并且会产生出关于该系统测量前状态的不完整信息。因此，窃听一量子通信信道就会产生不可避免的干扰，合法的通信双方则可由此而察觉到有人在窃听。量子密码术利用这一原理，使从未见过面且事先没有共享秘密信息的通信双方建立通信密钥， 然后再采用shannon 已证明的是完善保密的一次一密钥密码通信，即可确保双方的秘密不泄漏。这样，量子密码学达到了经典密码学所无法达到的两个最终目的：一是合法的通信双方可察觉潜在的窃听者并采取相应的措施；二是使窃听者无法破解量子密码，无论企图破译者有多么强大的计算能力。
　　量子密码技术的主要应用是量子密钥的分配和存储。现在人们正努力使量
　　子密码技术走向实用。目前，在量子密码术实验研究上进展最快的国家为英国、瑞士和美国。其实在1989年科学家们成功研制出世界上第一个量子密钥分配的原型样机时，它的工作距离仅为32 厘米。1995 年英国电信在长达30 公里的光纤上实现了量子密钥的传送，差错率仅为1.2％～4 ％，在同一年瑞士日内瓦大学在日内瓦湖底铺设的23 公里长民用光通信光缆中进行了实地表演，误码率为3.4％。量子密码除了可用于保密通信外，还可在作出公共决定时，对使用到的个人资料进行保密。比如说，公司或政府组织之间、或个人和组织之间要作出一个共同决定，但他们又不愿意泄漏自己的保密信息，这时量子密码可以帮助他们实现这一目标。量子密码术的另一用途是信息认证，就是证明某一信息来自某人或某处而未被改动。随着量子密码技术的深入研究，我们相信它的用途将越来越广。
　　量子通信是通信技术上的又一次划时代革命，具有广泛的应用前景。首先，量子通信可以满足空间远距离、大容量、易组网等方面的要求，量子通信可以用来构筑高速、大容量的通信网络，实现高清晰度图像等大容量超高速数据的传输，为建立量子因特网奠定了坚实的基础；其次量子通信可以实现完全保密通信，这使得量子通信在军事、国防、国民经济建设等领域都有重要作用；第三，目前许多国家致力于空间拦截及空间信息传输等技术的研究，并取得了一定的成果，量通信的应用必将加速空间拦截及空间信息传输等技术的快速发展。第四，由于量子通信时延为零，可以实现超光速通信，量子通信的发展必将加速人们探索宇宙空间的进程。
　　比如量子计算机经常会被拿来和量子通信并列，它们是量子力学在两个不同领域的应用。量子计算机的本质，是用量子器件替代传统计算机器件，借助量子器件更多样的物理状态，增加存储容量，简化电脑计算的方式。具体来说，在经典计算机中，可能一个二极管的电压高低，代表这个比特的值是1或者0，而在量子计算机中，一个量子可以既是1又是0，有两个值。N个量子并排，就有2的N次方个值。当量子电脑计算时，不同量子同时进行变换，然后按照一定的概率叠加在一起，得出计算结果，这种计算称为量子并行计算。量子可以叠加，而且互相干涉，这是量子计算的物理本质。但相干性也给量子计算机的实现带来了困难——量子会受到干扰，丢失信息。目前无论是用光子还是电子做量子，设计者都要面对怎样长久保存量子信息的问题。一旦研制出来，量子电脑的计算能力将极为强大，因为它让许多数值并行计算。但目前实现这种功能的电脑，还停留在实验室阶段。但是相信不久的将来，量子通信会离我们越来越近，并走进我们的生活。