量子保密通信引論

前言

在信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，信息安全已不再是單純的通信保密，而是一個(gè)涉及數(shù)學(xué)、物理、生物、化學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)等諸多學(xué)科知識(shí)的綜合學(xué)科，是一個(gè)融合信息的保密性、完整性、可用性、可控性和不可否認(rèn)性為一體的綜合體系，然而，對(duì)于長(zhǎng)期困擾信息安全的完全保密、身份識(shí)別和竊聽檢測(cè)等問題并未得到徹底解決。又因?yàn)樵诮?jīng)典領(lǐng)域不可能有天然的保密信道，也很難實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)各種入侵攻擊，所有這些問題的徹底解決都需要新的保密通信技術(shù)。近年來，隨著人們對(duì)量子計(jì)算和量子信息的深入研究以及對(duì)信息系統(tǒng)安全需求的快速增長(zhǎng)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了量子現(xiàn)象在信息科學(xué)中的許多新的應(yīng)用，由于量子信息技術(shù)在提高信息處理速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測(cè)精度等方面有著經(jīng)典信息技術(shù)無法比擬的潛在技術(shù)優(yōu)勢(shì)，得到了快速發(fā)展并且得到了廣泛關(guān)注。研究表明，完全保密的、物理安全的保密通信技術(shù)——量子密鑰分發(fā)（QKD）將是最可能首先投入使用的量子信息技術(shù)。為什么要研究量子密鑰分發(fā)？為什么要研究量子保密通信？量子通信能否突破經(jīng)典通信的距離和速率極限？假如到2030年左右，量子計(jì)算機(jī)研究取得重大突破并開始投入使用，256比特密鑰的對(duì)稱密碼算法將不安全，RSA等非對(duì)稱密碼算法也將不安全！經(jīng)典密碼體制已經(jīng)不能為信息系統(tǒng)提供安全性保證的情況下，人們?nèi)绾伪Ｗo(hù)他們的通信安全，國(guó)家又如何保護(hù)國(guó)防、軍事、金融等重要領(lǐng)域內(nèi)的信息安全？這是本書力求回答的主要問題。

內(nèi)容概要

　　《量子保密通信引論》從應(yīng)用的角度出發(fā)，使用通俗的表達(dá)方式，系統(tǒng)地論述了量子保密通信的基本原理、體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等，并探討了量子保密通信技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域內(nèi)的重要應(yīng)用前景。全書共六章，主要內(nèi)容包括保密通信概述、量子信息技術(shù)基礎(chǔ)、量子密鑰管理技術(shù)、量子保密通信體制、量子保密通信系統(tǒng)工程和量子保密通信與信息安全等?！　　读孔颖Ｃ芡ㄐ乓摗穬?nèi)容深入淺出、層次分明、通俗易懂，可作為信息安全、密碼學(xué)、通信和光通信、量子光學(xué)應(yīng)用等相關(guān)學(xué)科的科研和工程技術(shù)人員的參考書，也可作為相關(guān)專業(yè)高等學(xué)校師生的參考書。

書籍目錄

第1章 保密通信概述1.1 神秘的古代密碼術(shù)1.2 經(jīng)典保密通信介紹1.2.1 基于模運(yùn)算的移位密碼1.2.2 替換密碼1.2.3 維吉尼亞密碼1.2.4 Hill密碼1.2.5 一次一密亂碼本1.2.6 轉(zhuǎn)輪機(jī)1.3 保密通信與戰(zhàn)爭(zhēng)1.4 經(jīng)典密碼學(xué)的發(fā)展歷程1.4.1 經(jīng)典密碼學(xué)文獻(xiàn)介紹1.4.2 經(jīng)典密碼學(xué)的發(fā)展階段1.4.3 保密通信的基本要求1.5 經(jīng)典密碼理論介紹1.5.1 密碼學(xué)基礎(chǔ)介紹1.5.2 密碼通信協(xié)議介紹1.5.3 經(jīng)典信息論簡(jiǎn)介1.5.4 偽隨機(jī)序列與序列密碼1.5.5 分組密碼1.5.6 公鑰密碼1.6 經(jīng)典密碼的困惑1.7 量子信息的研究背景和現(xiàn)狀第2章 量子信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和量子態(tài)的表示2.1.1 矢量空間2.1.2 內(nèi)積空間2.1.3 Hilbert空間2.1.4 Dirac符號(hào)2.1.5 Hermite算子與幺正算子2.2 量子力學(xué)基本理論簡(jiǎn)介2.2.1 量子力學(xué)的基本假設(shè)2.2.2 量子測(cè)量2.2.3 量子的物理存在2.3 量子信息的形式2.3.1 量子態(tài)2.3.2 量子糾纏態(tài)2.3.3 GHZ態(tài)2.4 量子信息的特性2.4.1 量子不可克隆與概率測(cè)量2.4.2 存在隱匿的量子信息2.4.3 稠密編碼2.4.4 量子隱形傳態(tài)2.5 量子糾錯(cuò)碼簡(jiǎn)介2.5.1 量子糾錯(cuò)與經(jīng)典糾錯(cuò)2.5.2 量子糾錯(cuò)的基本思想和方法2.5.3 量子糾錯(cuò)的基本原理2.5.4 CSS量子糾錯(cuò)碼2.6 量子計(jì)算簡(jiǎn)介2.6.1 量子邏輯門2.6.2 量子計(jì)算的并行性2.6.3 Deutsch問題算法2.6.4 Simon問題算法2.6.5 Grovm‘量子搜索算法2.6.6 Shor。量子因式分解算法2.7 量子信息論簡(jiǎn)介2.8 量子測(cè)不準(zhǔn)與量子通信2.8.1 量子通信的特點(diǎn)2.8.2 量子保密通信安全性第3章 量子密鑰管理技術(shù)3.1 經(jīng)典密鑰管理技術(shù)介紹3.1.1 經(jīng)典密鑰的分類和產(chǎn)生3.1.2 經(jīng)典密鑰管理介紹3.1.3 經(jīng)典密鑰分發(fā)技術(shù)介紹3.1.4 經(jīng)典密鑰管理技術(shù)的局限性3.2 量子密鑰協(xié)商(QKA)3.2.1 基于非正交態(tài)的QKA3.2.2 基于糾纏態(tài)的QKA3.2.3 基于隱形傳態(tài)的QKA3.3 QKA模型3.3.1 協(xié)議模型3.3.2 協(xié)議復(fù)雜性3.3.3 密鑰的正確性驗(yàn)證3.3.4 QKA安全性分析3.4 量子密鑰分發(fā)(QKD)3.4.1 基于共享密鑰的QKD3.4.2 基于稠密編碼的QKD3.4.3 無共享秘密信息的QKD3.5 量子密鑰協(xié)商／分發(fā)的局限性3.6 量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)3.6.1 網(wǎng)絡(luò)中的量子密鑰分發(fā)3.6.2 量子網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸模式3.7 量子密鑰的應(yīng)用第4章 量子保密通信體制4.1 基于密鑰的保密通信方案介紹4.1.1 經(jīng)典OTP體制4.1.2 量子OTP體制4.2 量子保密直接通信協(xié)議介紹4.2.1 “乒一乓協(xié)議4.2.2 Two-StepQSDC協(xié)議4.3 量子保密通信體制模型4.3.1 量子通信的保密原理4.3.2 量子直接通信編碼4.3.3 量子保密通信方案4.4 抗干擾量子保密通信4.5 量子保密通信網(wǎng)絡(luò)4.6 量子身份識(shí)別4.6.1 身份識(shí)別與零知識(shí)證明4.6.2 基于量子隱形傳態(tài)的身份識(shí)別4.6.3 基于量子態(tài)身份的身份識(shí)別4.7 量子密碼介紹4.7.1 量子對(duì)稱密碼算法4.7.2 抗量子計(jì)算的非對(duì)稱密碼算法第5章 量子保密通信系統(tǒng)工程5.1 光通信系統(tǒng)5.1.1 光通信概述5.1.2 光纖通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介5.1.3 光傳輸網(wǎng)絡(luò)5.2 量子通信系統(tǒng)模型5.3 量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器5.3.1 隨機(jī)序列產(chǎn)生器和隨機(jī)性檢測(cè)5.3.2 量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)原理5.4 量子信號(hào)源5.4.1 單光子系統(tǒng)5.4.2 糾纏系統(tǒng)5.5 量子信道與應(yīng)用環(huán)境5.5.1 光纖5.5.2 自由空間5.5.3 深水空間5.6 同步與信號(hào)檢測(cè)5.6.1 同步5.6.2 信號(hào)檢測(cè)5.7 量子中繼5.7.1 基于量子隱形傳態(tài)的中繼方案5.7.2 基于量子糾纏交換的中繼方案5.8 量子態(tài)編碼和量子信息處理5.8.1 干涉和消相干5.8.2 偏振態(tài)編碼方案5.8.3 相位編碼方案5.8.4 量子誤碼率和通信效率5.9 量子保密通信系統(tǒng)實(shí)例分析5.9.1 平衡M-Z干涉儀系統(tǒng)5.9.2 雙非平衡M-Z干涉儀系統(tǒng)5.9.3 偏振自補(bǔ)償干涉儀系統(tǒng)5.10 高速量子保密通信系統(tǒng)的應(yīng)用前景第6章 量子保密通信與信息安全6.1 量子保密通信與完全保密6.2 量子保密通信發(fā)展趨勢(shì)探討6.3 應(yīng)用前景與技術(shù)挑戰(zhàn)附錄A 術(shù)語和縮略語附錄B 量子理論和量子信息的重要突破年代參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：人類的各種社會(huì)活動(dòng)都與通信有著密切聯(lián)系，社會(huì)越進(jìn)步，對(duì)通信的依賴程度就越大，尤其是在信息社會(huì)，一個(gè)國(guó)家乃至整個(gè)世界的社會(huì)、軍事、政治、經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和秩序維護(hù)都離不開通信。在當(dāng)今這個(gè)紛繁復(fù)雜的人類社會(huì)，各種邪惡勢(shì)力、潛在敵人和黑客等為了得到一個(gè)國(guó)家各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的重要情報(bào)，從未間斷過針對(duì)各種通信的竊聽、監(jiān)控和破譯。在這種情況下，每個(gè)國(guó)家都不得不采用越來越先進(jìn)的保密通信技術(shù)，以確保國(guó)家正常的保密通信不受現(xiàn)實(shí)威脅。保密通信是維護(hù)國(guó)家安全的一個(gè)必要技術(shù)手段，也是一個(gè)十分重要的科學(xué)研究領(lǐng)域，有著十分悠久并且充滿神秘的歷史，它隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步不斷得到提高和完善。本章分別對(duì)保密通信的幾個(gè)重要發(fā)展階段、經(jīng)典密碼在戰(zhàn)爭(zhēng)中所扮演的傳奇作用、經(jīng)典密碼學(xué)基本理論、經(jīng)典密碼所面臨的技術(shù)困難與挑戰(zhàn)以及量子保密通信的發(fā)展契機(jī)等進(jìn)行了介紹。1.1  神秘的古代密碼術(shù)“天機(jī)不可泄露”在當(dāng)今是一個(gè)被泛用的詞語，然而它的真正含義卻是十分嚴(yán)肅的，一件東西或者一個(gè)消息之所以被稱為“天機(jī)”，說明它是“神圣”的東西，不能主動(dòng)或被動(dòng)地對(duì)他人泄露其中的任何秘密，必須用忠誠(chéng)甚至生命去捍衛(wèi)它的安全。在商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中，一個(gè)公司或者單位的“天機(jī)”意味著能否在競(jìng)爭(zhēng)中取得主動(dòng)地位；在戰(zhàn)爭(zhēng)中，有關(guān)軍隊(duì)?wèi)?zhàn)略部署和戰(zhàn)術(shù)的“天機(jī)”關(guān)系著前沿陣地將士們的生命安全和戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)局，甚至整個(gè)國(guó)家的興衰。因此，為了確?！疤鞕C(jī)不可泄露”，從古至今，人們對(duì)如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的追求從未間斷過，而確?！疤鞕C(jī)不可泄露”的主要技術(shù)手段就是形式多樣的密碼技術(shù)或者保密通信技術(shù)。現(xiàn)實(shí)世界里保密的形式隨著文明的發(fā)展程度、應(yīng)用群體（士兵、外交官、寫日記的人等）和應(yīng)用目的等因素的不同而變化多樣，保密通信的核心技術(shù)——密碼技術(shù)因主要被用于保護(hù)一些“不宜”公開的“重要”信息而顯得十分神秘，雖然它的起源缺少詳細(xì)記載，但是密碼技術(shù)在它幾千年發(fā)展歷程中卻始終與人類戰(zhàn)爭(zhēng)緊密相連。在公元前5世紀(jì)，古希臘的斯巴達(dá)人將皮條緊緊纏繞在特定尺寸的木棍子上，再把密信自上而下地寫在皮條上；然后再把皮條解開并通過信使或者信鴿等送給目標(biāo)接收者。皮條的接收者只需要把皮條重新纏繞在相同尺寸的木棍上，就可以讀出其中的信息。而在不知道木棍尺寸的情況下，這些皮條上的文字是毫無意義的，由此達(dá)到保密通信的目的。這就是有記載的最早使用的保密通信器械，并且稱之為“天書”。由于當(dāng)時(shí)文明程度和技術(shù)條件限制，“天書”的應(yīng)用基本上是手工作業(yè)，遠(yuǎn)距離通信依賴信鴿或信使等。

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