量子密碼體制終將取代公鑰密碼體制

摘?要：量子態(tài)作為量子密碼系統(tǒng)傳輸信息的載體，量子密碼系統(tǒng)通過量子通道在合法用戶的之間進行密鑰的傳輸。今天常用的公鑰密碼系統(tǒng)，它的安全性基于數(shù)學(xué)函數(shù)問題的計算復(fù)雜性。并且隨著量子計算的發(fā)展，這個密碼系統(tǒng)的安全風險變得越來越大。然而量子密碼系統(tǒng)的安全性基于的是物理基本原理，這讓它的安全性大大提升，從而實現(xiàn)真正的保密通信。

關(guān)鍵詞：量子密碼體制;公鑰密碼體制;量子密碼安全性

一、概述

信息安全是網(wǎng)絡(luò)時代每個人都高度關(guān)心的問題，保證自己的信息不被他人獲取，網(wǎng)絡(luò)信息無法被解密和泄露是信息安全的最終目的。不管是民用商業(yè)上的競爭還是軍事方面的系統(tǒng)信息干預(yù)、破壞，都離不開信息安全來保證系統(tǒng)的正常運行，取得或者保持戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)上的優(yōu)勢，在競爭中獲勝。如果把密碼學(xué)看成一個樹干，那么量子密碼學(xué)則是它的一個構(gòu)成分支。作為傳統(tǒng)密碼學(xué)和量子力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，量子力學(xué)原理決定了量子密碼學(xué)的安全性。一般攻擊只要不違背物理原理，即便攻擊者具備的非常強大的計算能力，都不足以破壞量子密碼學(xué)的安全性。與傳統(tǒng)基于計算復(fù)雜性假設(shè)的原有經(jīng)典密碼系統(tǒng)相比較，量子密碼學(xué)的安全性可以說基本上具有不可替代的優(yōu)勢[1]。

二、量子密碼體制

量子密碼是量子力學(xué)和經(jīng)典密碼學(xué)相互融合的產(chǎn)物，量子力學(xué)的基本原理保證了其具有較高的安全性，這與攻擊者的計算能力大小并沒有關(guān)聯(lián)[2]。因此，量子密碼受到信息安全廣大研究者的普遍重視，其研究范圍非常廣泛，例如量子密鑰分配、量子秘密共享、量子身份認證、量子安全直接通信等。當前的理論和實驗表明，量子密碼將是下一代信息安全體系不可或缺的重要組成部分。第一個量子密鑰分發(fā)協(xié)議是Bennett和Brassard經(jīng)多次研究于在1984年提出的BB84協(xié)議。BB84協(xié)議的理論安全性已得到嚴格驗證，并且在實驗中得到了快速提升和發(fā)展，并已逐漸投入實際的應(yīng)用中。

基于反直觀QKD的量子秘密查詢協(xié)議主要基于Noh等多人提出的反直觀量子密鑰分發(fā)協(xié)議，在該協(xié)議中，非對稱密鑰的分發(fā)是通過更改了經(jīng)典通信方法以往的規(guī)則來實現(xiàn)的，并加入了一些檢測設(shè)備，以確保用戶和數(shù)據(jù)庫擁有者具有雙方的隱私以及安全[3]。該協(xié)議非常靈敏且可延展。雙方在實現(xiàn)通信的過程中可以根據(jù)實際情況的需求來調(diào)整相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對比安全系數(shù)和執(zhí)行效率，調(diào)整為一個更好地狀態(tài)，從而達到實際的需求。

量子密碼系統(tǒng)達到所謂絕對安全性意味著，即使一個高智商的竊聽者采用了高明的手段以及最高級的測量工具，密鑰在傳送過程中仍然可以保證安全。一般情況下竊聽者通過兩種方法來攔截密鑰：一種方法通過測量信息的載體量子態(tài)，而密鑰就保存在測量結(jié)果提取。但量子力學(xué)的基本原理告訴我們，量子態(tài)的測量會導(dǎo)致波函數(shù)發(fā)生崩潰，量子態(tài)具備的性質(zhì)將從根本上發(fā)生改變。不論是發(fā)送者或者是接受者，均可通過信息驗證可以發(fā)現(xiàn)自身的通信被他人竊聽。這種類型的竊聽將不可避免地留下明顯的量子測量的跡線，用戶雙方的通信就會停止。第二種方法并不是直接測量量子，而是使用了具有復(fù)制功能的設(shè)備，首先竊聽者攔截并復(fù)制所傳輸信息的量子態(tài)，然后將原始量子態(tài)傳輸給想要本來即將接收密鑰的合法用戶，由此以來，另一份被復(fù)制的量子態(tài)可以被竊聽者用來測量、分析來竊取信息。這種方式的竊聽理論上并不會留下痕跡。但是，由量子相干性確定的量子非克隆定理告訴人們，沒有一臺物理上允許的量子復(fù)制設(shè)備能克隆出同輸入時的狀態(tài)全部一致的量子態(tài)。正是由于這個量子物理學(xué)效應(yīng)，才能夠使得竊聽者沒有辦法重新再現(xiàn)所傳輸信息的量子態(tài)。所以第二種竊聽方法也不能實現(xiàn)。由上述兩種說法可以了解到，其實量子密碼學(xué)在其原則上提供了一種沒有辦法解密，并且不可竊聽的機密通信系統(tǒng)。

三、公鑰密碼體制缺陷

在1984年由S.Goldwasser和S.Macali提出GM概率公鑰密碼體制之前，所有的公鑰密碼體制都因為它們的確定性而有著各種各樣的缺陷[4]。因為一般的公鑰密碼體制的加密變換都是利用單向陷門函數(shù)f（x），但并不能排除由f（x）計算出部分信息的可能性。而概率公鑰密碼體制采用逐比特位加密的方法對明文進行加密，因而較好地克服了確定性公鑰密碼體制的本質(zhì)缺陷。但是，概率密碼體制也不是完美的，眾多研究已發(fā)現(xiàn)該體制因其膨脹率大太，不能被數(shù)字簽名及可能被內(nèi)部主動攻擊等問題。

當前電子政務(wù)和電子商務(wù)CA中心采用的公鑰密碼主要是RSA和ECC，其安全基礎(chǔ)分別是大數(shù)分解和橢圓曲線離散對數(shù)的數(shù)學(xué)難題.1994年，Peter?W.Shor提出了Shor算法，指出Shor算法能夠在多項式時間內(nèi)求解整數(shù)分解問題和離散對數(shù)問題，使得當前應(yīng)用廣泛的RSA、E1Gamal和ECC等公鑰密碼體制在量子計算環(huán)境下不再安全[5]。

四、量子密碼體制終將取代公鑰密碼體制

公開密鑰密碼體制在1976年被提出，它的主要思想是將密鑰分為兩部分，這兩部分分別是公鑰和私鑰，公鑰決定了加密映射，私鑰決定了解密映射。每一個使用的用戶都會有自己的公鑰和私鑰。公鑰是被公開的，每個人都可以查閱，這樣的話，想要通信的雙方用戶就不需要事先的約定就可以實現(xiàn)保密的通信，并且沒有要求“安全通道”傳輸密鑰的問題。私鑰是被保密的，并且被每個用戶保留以進行解密。我們所熟知的RSA密碼體制就是一個公鑰密碼體制，該密碼體制主要基于以下事實：經(jīng)典計算機基本上都不能完成對大數(shù)據(jù)進行分解的有效計算。那我們可以由上述分析得出，倘若我們掌握了“Shor大數(shù)因子化”的有效的量子算法，可以說由RSA密碼體制完成的所有加密都可以被解密。由上面的分析我們可以推斷出那些公鑰密碼體制保護的信息被量子計算帶來了巨大的威脅，而且如今的一些其他機密通信也被構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)，因此使用量子加密是避免這些威脅的最好、最有效的途徑。

五、結(jié)論

伴隨著量子信息特別是量子計算的飛速發(fā)展，現(xiàn)階段正被廣泛應(yīng)用的基于計算復(fù)雜性假設(shè)的公鑰密碼體制的安全性受到了嚴峻的挑戰(zhàn)。一些應(yīng)用的需求發(fā)展讓量子技術(shù)提升到一個更高的水平，主要表現(xiàn)在它的穩(wěn)定性和安全性，這兩個方面取得取得巨大提升[6]。鑒于量子密碼技術(shù)已近實用化，相信在不久的將來，量子密碼體制終將取代公鑰密碼體制。

參考文獻：

[1]溫巧燕.量子保密通信協(xié)議的設(shè)計與分析[M].科學(xué)出版社，2009.

[2]MichaelA.Nielsen，IsaacL.Chuang.量子計算和量子信息[M].清華大學(xué)出版社，2005.

[3]尹浩.量子通信原理與技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2013.

[4]鄭暉.基于概率的公鑰密碼體制研究[D].中央民族大學(xué)，2010.

[5]王潮.Shor量子計算對公鑰密碼的攻擊分析.中國信息安全研究院，2015.

[6]張盛，王劍，唐朝京.Chinese?Physics?B，Security?proof?of?counterfactual?quantum?cryptography?against?general?intercept-resend?attacks?and?its?vulnerability[J].2012.

作者簡介：呂林（1999—），女，河北趙縣人，河北師范大學(xué)計算機與網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院本科在讀，研究方向：信息安全。