量子密鑰分配(1984年提出的量子力學協議)

量子密鑰分配是1984年物理學家Bennett和密碼學家Brassard提出了基於量子力學測量原理的BB84協議,量子密鑰分配從根本上保證了密鑰的安全性。

歷史沿革

自人類使用語言以來,通過密鑰給信息加密的技術就伴隨着人類對通信保密程度的需求而不斷發展。密鑰的作用就是用來對傳輸的信息進行加密,防止他人獲取信息內容。

在古埃及和古希臘時期,人們通過改變字母的順序對明文進行加密,隨後又發明了字母替換的加密方法,這種方法從古羅馬一直延續到中世紀和文藝復興時期。

中國古代也有信息加密方法,例如姜太公發明的「陰符」和「陽符」就是用敵方看不懂的暗語來傳遞我方軍事信息。

隨着科技革命的出現,古老的加密方式進入了全新的階段。摩爾斯電碼的發明,使得人們可以將每個字母都編碼在四個「嘀」和「嗒」的不同組合上面,通過電報或電波發送信息。

但即使到了這個時期,人類採用的加密方式依然是固定的,密鑰都是事先約定好的,只要敵方拿到「密鑰本」,就能輕易破解。

伴隨着科技革命的進一步發展,自動生成密鑰的機器出現了。這其中以德國發明的Enigma(英尼格瑪)機最為著名。

這種機器通過幾個旋鈕位置可以自動設置密鑰,加密后的情報需要同樣的Enigma機同樣的旋鈕位置才能解密出原文,即密鑰被隱藏在了機器裏面。

由於Enigma機難以破解,它對德國在第二次世界大戰初期的一系列軍事勝利都起到了至關重要的作用。因此,盟軍能否破解Enigma將直接決定戰爭走向。

提到Enigma機破解,英國數學家,計算機之父阿蘭·圖靈對此做出了至關重要的貢獻,他通過機器對機器的方式,大幅提高了破解效率,他的方法不但為盟軍贏得了第二次世界大戰,而且也啟發他發明了現代計算機。

到了信息時代,密鑰的形式從字母變為了二進制。

產生背景

隨着互聯網的大範圍普及,人類之間的信息傳遞達到了前所未有的數量和頻率,各種隱私信息越來越多地暴露在互聯網上,因此,人類對保密通信的需求也到了前所未有的高度。

現在的互聯網信息安全的加密方式稱為「公開密鑰」密碼體系,其原理是通過加密算法,生成網絡上傳播的公開密鑰,以及留在計算機內部的私人密鑰,兩個密鑰必須配合使用才能實現完整的加密和解密過程。

現代互聯網使用的加密標準是20世紀70年代誕生的RSA算法,即利用大數的質因子分解難以計算來保證密鑰的安全性。

但是隨着計算能力的不斷提升,RSA的安全性受到了挑戰。

1984年,物理學家Bennett和密碼學家Brassard提出了基於量子力學測量原理的「量子密鑰分配」BB84協議,從根本上保證了密鑰的安全性。

隨後經過多年的實驗和技術改進,以「量子密鑰分配」為核心的量子保密通信技術已經逐漸完成了實用化,並形成了一定的產業規模。

實際應用

天宮二號

為了更遠距離的量子保密通信,中國除了繼續建設地面光纖網絡以外,還需要藉助天上的多個飛行器,實現覆蓋光纖無法到達區域的量子密鑰分配。

天宮二號上的載荷「量子密鑰分配專項」就是以實現空地間實用化的量子密鑰分配為目標,通過天上發射一個個單光子並在地面接收,生成「天機不可泄露」的量子密鑰。

京滬幹線

在地面光纖網絡建設上,世界第一條量子保密通信主幹線路「京滬幹線」即將建成,這將大幅提高中國在軍事國防、銀行、金融系統的信息安全。