量子密碼學(xué)

前言

　　人類(lèi)的進(jìn)步得益于科學(xué)研究的突破、生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步?！　∮?jì)算機(jī)、通信、半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的突破，形成了巨大的新型生產(chǎn)力。數(shù)字化的生活方式席卷全球。農(nóng)業(yè)革命、工業(yè)革命、信息革命成為人類(lèi)歷史生產(chǎn)力發(fā)展的三座豐碑。古老的中華大地，也正在以信息化帶動(dòng)工業(yè)化的國(guó)策下煥發(fā)著青春。電子政務(wù)、電子商務(wù)的各種信息化應(yīng)用之花，在華夏沃土上競(jìng)相開(kāi)放，炎黃子孫們，在經(jīng)歷了幾百年的苦難歷程后，在國(guó)家崛起中又迎來(lái)了一個(gè)運(yùn)用勤勞和智慧富國(guó)強(qiáng)民的新契機(jī)?！　】茖W(xué)規(guī)律的掌握，非一朝一夕之功。治水、馴火、利用核能都曾經(jīng)經(jīng)歷了非常漫長(zhǎng)的歲月。不掌握好科學(xué)技術(shù)造福人類(lèi)的一面，就會(huì)不經(jīng)意地釋放出它危害人類(lèi)的一面?！　∩a(chǎn)力的發(fā)展，為社會(huì)創(chuàng)造出許多新的使用價(jià)值。但是，工具的不完善，會(huì)限制這些使用價(jià)值的真正發(fā)揮。信息化工具也和農(nóng)業(yè)革命、工業(yè)革命中人們?cè)鴦?chuàng)造的許多工具一樣，由于人類(lèi)認(rèn)識(shí)真理和實(shí)踐真理的客觀局限性而存在許多不完善的地方，從而形成信息系統(tǒng)的漏洞，造成系統(tǒng)的脆弱性，在人們駕馭技能不足的情況下?lián)p害著人們自身的利益?！　∈澜缥吹酱笸瑫r(shí)，社會(huì)上和國(guó)際間存在著競(jìng)爭(zhēng)、斗爭(zhēng)、戰(zhàn)爭(zhēng)和犯罪。傳統(tǒng)社會(huì)存在的不文明、暴力，在信息空間也同樣存在。在這個(gè)空間頻頻發(fā)生的和被有些人利用系統(tǒng)存在的脆弱性運(yùn)用其“暴智”來(lái)散布計(jì)算機(jī)病毒，制造拒絕服務(wù)的事端，甚至侵入他人的系統(tǒng)，盜竊資源、資產(chǎn)，以達(dá)到其貪婪的目的。人類(lèi)運(yùn)用智慧開(kāi)拓的信息疆土正在被這些暴行蠶食破壞著?！　‰S著信息化的發(fā)展，信息安全成為全社會(huì)的需求，信息安全保障成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。因?yàn)樾畔踩坏P(guān)系國(guó)家的政治安全、經(jīng)濟(jì)安全、軍事安全、社會(huì)穩(wěn)定，也關(guān)系到社會(huì)中每一個(gè)人的數(shù)字化生存的質(zhì)量。　　信息革命給人類(lèi)帶來(lái)的高效率和高效益是否真正實(shí)現(xiàn)，取決于信息安全是否得以保障。什么是信息安全？怎樣才能保障信息安全？這些問(wèn)題都是嚴(yán)肅的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。面對(duì)人機(jī)結(jié)合和非線(xiàn)性、智能化的復(fù)雜信息巨系統(tǒng)，我們還有許多科學(xué)技術(shù)問(wèn)題需要認(rèn)真研究。我們不能在研究尚處膚淺的時(shí)候，就盲目樂(lè)觀地向世人宣稱(chēng)，我們擁有了全面的解決方案；我們也不能因?yàn)槊鎸?duì)各種麻煩，就灰頭土臉，自暴自棄，我們需要的是革命的樂(lè)觀主義精神、堅(jiān)忍不拔的奮勇攀登科學(xué)技術(shù)高峰的堅(jiān)定信念。

內(nèi)容概要

　　《量子密碼學(xué)》是《信息安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室信息安全叢書(shū)》之一。書(shū)中深入系統(tǒng)地論述了量子密碼的基本概念、實(shí)現(xiàn)原理、物理基礎(chǔ)和信息論基礎(chǔ)、協(xié)議與算法、密碼系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)以及與經(jīng)典密碼的關(guān)系，并探討了量子密碼的可能應(yīng)用?！读孔用艽a學(xué)》共九章，構(gòu)建了量子密碼的整體框架體系。主要內(nèi)容包括密碼學(xué)及量子密碼的概況、量子比特的數(shù)學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)、量子密鑰、量子密碼體制、量子認(rèn)證、量子秘密共享、量子安全協(xié)議、量子密碼分析、量子密碼系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及典型量子密碼系統(tǒng)的介紹?！　　读孔用艽a學(xué)》可作為密碼學(xué)、物理學(xué)、量子光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信和數(shù)學(xué)等學(xué)科的科研和工程技術(shù)人員的參考書(shū)，也可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)的高校師生參考。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論1.1 密碼學(xué)的基本概念1.2 密碼學(xué)的起源與發(fā)展1.2.1 藝術(shù)密碼1.2.2 古典密碼1.2.3 計(jì)算機(jī)密碼1.2.4 物理密碼1.2.5 幾種密碼形式的比較1.3 量子密碼的起源與發(fā)展動(dòng)態(tài)1.3.1 量子密碼的起源1.3.2 量子密碼的基本特征1.3.3 量子密碼的發(fā)展動(dòng)態(tài)1.3.4 量子密碼的應(yīng)用與展望1.4 兩種密碼體制的信息理論基礎(chǔ)比較1.5 量子密碼與其他學(xué)科的聯(lián)系參考文獻(xiàn)第2章 量子比特及其性質(zhì)2.1 Hilbert空間與態(tài)矢變換2.1.1 Hilbert空間2.1.2 線(xiàn)性變換與算符2.2 量子系統(tǒng)2.2.1 量子系統(tǒng)的狀態(tài)2.2.2 量子系統(tǒng)的可觀測(cè)量2.3 經(jīng)典比特2.3.1 作為信息量單位的比特2.3.2 描述信號(hào)狀態(tài)的比特2.4 量子比特2.4.1 基本量子比特2.4.2 復(fù)合量子比特2.4.3 多進(jìn)制量子比特2.5 量子比特的數(shù)學(xué)性質(zhì)2.6 量子比特的物理性質(zhì)2.6.1 雙重性2.6.2 疊加性2.6.3 測(cè)不準(zhǔn)性2.6.4 不可克隆性2.6.5 不可區(qū)分性2.6.6 糾纏性2.6.7 互補(bǔ)性2.6.8 相干性2.7 量子比特的信息量2.7.1 單量子比特的信息量2.7.2 非正交量子比特的信息量2.8 量子比特的變換2.8.1 量子邏輯門(mén)2.8.2 量子線(xiàn)路參考文獻(xiàn)第3章 量子密鑰3.1 引言3.2 經(jīng)典密鑰分配3.3 基本量子密鑰分配協(xié)議3.3.1 BB84協(xié)議3.3.2 B92協(xié)議3.3.3 EPR協(xié)議3.4 量子密鑰分配的通信模型3.4.1 通信模型3.4.2 量子信源3.4.3 信道3.5 對(duì)稱(chēng)量子密鑰分配理論3.5.1 信源選擇3.5.2 信道建立3.5.3 完善性確認(rèn)3.5.4 密鑰獲取3.5.5 無(wú)條件安全性3.6 對(duì)稱(chēng)量子密鑰分配協(xié)議的安全理論3.6.1 密鑰分配協(xié)議的安全準(zhǔn)則3.6.2 量子密鑰分配的無(wú)條件安全性3.7 確定性量子密鑰分配3.7.1 基于直接安全通信模式的隨機(jī)密鑰分配3.7.2 事先確定密鑰的分配3.8 基于非對(duì)稱(chēng)操作的協(xié)議3.9 量子密鑰驗(yàn)證3.9.1 量子密鑰的真實(shí)性問(wèn)題3.9.2 可同時(shí)實(shí)現(xiàn)密鑰分配和驗(yàn)證的協(xié)議3.10 量子密鑰存儲(chǔ)3.11 網(wǎng)絡(luò)中的量子密鑰分配3.11.1 BT實(shí)驗(yàn)室方案3.11.2 Biham方案3.11.3 基于GHZ三重糾纏比特的方案3.12 量子比特序列與隨機(jī)數(shù)3.12.1 隨機(jī)數(shù)的數(shù)學(xué)描述3.12.2 量子隨機(jī)數(shù)參考文獻(xiàn)第4章 量子密碼體制4.1 基本概念4.2 經(jīng)典密碼體制4.2.1 序列密碼4.2.2 分組密碼4.2.3 公鑰密碼4.3 融合量子密鑰和經(jīng)典Vernam算法的密碼系統(tǒng)4.4 量子密碼體制4.5 量子Vernam密碼體制4.5.1 基本理論4.5.2 基于經(jīng)典密鑰的量子Verham算法4.5.3 基于量子密鑰的量子Vernam算法4.5.4 量子遠(yuǎn)程傳態(tài)方案作為量子Vernam算法4.6 量子對(duì)稱(chēng)密碼算法4.6.1 基于非正交糾纏比特的密碼算法4.6.2 經(jīng)典密碼的量子實(shí)現(xiàn)算法4.6.3 量子密碼算法的分組處理4.7 基于量子編碼的量子公鑰密碼算法4.7.1 量子糾錯(cuò)碼4.7.2 算法結(jié)構(gòu)4.8 基于不可克隆定理的量子公鑰密碼算法4.9 基于子集和問(wèn)題的量子公鑰密碼算法4.9.1 基礎(chǔ)知識(shí)4.9.2 算法描述參考文獻(xiàn)第5章 量子認(rèn)證5.1 基本概念5.2 經(jīng)典認(rèn)證基礎(chǔ)5.2.1 認(rèn)證碼5.2.2 hash函數(shù)5.2.3 數(shù)字簽名5.2.4 認(rèn)證協(xié)議5.3 基于量子密鑰的經(jīng)典身份認(rèn)證系統(tǒng)5.4 基于經(jīng)典密鑰的量子身份認(rèn)證系統(tǒng)5.5 純量子身份認(rèn)證系統(tǒng)5.5.1 量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)原理5.5.2 基于量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的身份認(rèn)證協(xié)議5.6 不依賴(lài)于第三方的量子身份認(rèn)證系統(tǒng)5.6.1 協(xié)議描述5.6.2 安全性分析5.6.3 評(píng)注5.7 量子簽名5.8 仲裁量子簽名5.8.1 算法結(jié)構(gòu)5.8.2 安全性分析5.9 基于連續(xù)變量的真實(shí)量子簽名5.9.1 算法結(jié)構(gòu)描述5.9.2 安全性分析5.10 量子信道認(rèn)證5.10.1 依賴(lài)經(jīng)典信道的量子信道認(rèn)證5.10.2 利用量子特性的量子信道認(rèn)證參考文獻(xiàn)第6章 量子秘密共享第7章 量子安全協(xié)議第8章 量子密碼分析第9章 量子密碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

章節(jié)摘錄

　　由于量子密碼中存在具有信息安全的量子密碼方案，也提出了基于計(jì)算復(fù)雜度的量子密碼方案，因此，量子密碼的安全性理論基礎(chǔ)是量子信息理論和量子計(jì)算復(fù)雜性理論?；诹孔有畔⒗碚摰男畔⑾到y(tǒng)以量子物理學(xué)為基礎(chǔ)，而基于Shannon信息論的信息系統(tǒng)以經(jīng)典物理學(xué)為基礎(chǔ)。眾所周知，量子物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)遵循不同的法則，因此量子信息理論不能簡(jiǎn)單地套用Shannon信息論，必須在Shannon信息論的基礎(chǔ)上建立新的理論體系。針對(duì)量子密碼的安全性而言，主要有兩種信息論分析方法。一方面，由于量子密碼系統(tǒng)中的通信者和攻擊者往往是通過(guò)測(cè)量而獲取信息的，而測(cè)量結(jié)果只能反饋經(jīng)典信息（測(cè)量后的比特是經(jīng)典比特），因此可采用Shannon信息理論分析量子密碼系統(tǒng)的安全性。由于這種方式可以給出確定的值，很多學(xué)者采用這種分析方式。另一方面，量子比特?cái)y帶了量子信息，可從量子信息理論的角度分析量子密碼系統(tǒng)的安全性，一些學(xué)者（如A.Cabello等人）開(kāi)展了這方面的研究?！　×孔佑?jì)算機(jī)的概念提出后，量子計(jì)算復(fù)雜性理論隨之被提出。從1992年開(kāi)始，Brassard，Bennett，Deutsch等人陸續(xù)分析了量子計(jì)算復(fù)雜性，發(fā)現(xiàn)量子圖靈機(jī)不能解決所有的NP問(wèn)題（這里著者強(qiáng)調(diào)，該結(jié)論還沒(méi)有得到嚴(yán)格的證明），并提出了量子計(jì)算復(fù)雜性理論。以這套理論為基礎(chǔ)，基于量子計(jì)算復(fù)雜性的密碼體制成為量子密碼的一個(gè)發(fā)展方向?！　×孔有盘?hào)檢測(cè)理論不同于經(jīng)典信號(hào)檢測(cè)理論，因?yàn)樵诹孔有畔⑾到y(tǒng)中，任何擾動(dòng)都會(huì)留下痕跡，為檢測(cè)提供依據(jù)，這個(gè)特點(diǎn)為量子密碼系統(tǒng)的安全性分析提供了基礎(chǔ)。事實(shí)上，量子密碼協(xié)議或算法是否安全與對(duì)敵手的檢測(cè)情況緊密結(jié)合在一起，因此，量子密碼表現(xiàn)出來(lái)的對(duì)攻擊者的可檢測(cè)性應(yīng)該有一個(gè)合適的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。例如，在量子密鑰分配中對(duì)竊聽(tīng)者的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)的安全性非常重要，如果沒(méi)有合適的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，量子密鑰分配系統(tǒng)可能不安全，因?yàn)橥ㄐ胖泻戏ㄍㄐ耪呖赡馨延懈`聽(tīng)的情況視為安全！顯然，如何檢測(cè)敵手的存在與否是量子密碼中的一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題。 　　……

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