量子密碼的絕對安全還只是假設,只存于理論

　　密鑰協(xié)議分兩大類：公鑰加密體系和私鑰加密體系。對私鑰體系，通訊雙方共享一個私鑰，用這個私鑰去加密/解密所要發(fā)送的信息。

　　私鑰體系的問題在于私鑰分配的安全性：如果私鑰分配的過程被第三方竊聽，那么第三方可以用這個私鑰去破解一切信息，整個密鑰就不安全了。量子密鑰分配協(xié)議就是為了解決這個問題。

　　量子密鑰分配技術最早在1984年被提出，一直被冠以絕對安全的稱號，被認為是絕對無法被破譯的密碼技術。然而，不少業(yè)內人士對量子密鑰的“絕對安全性”始終存疑。究竟我們該如何理解量子密鑰的安全性？我想就量子密鑰的安全性作了如下闡述：絕對安全只存在于理論，實際應用中只能逼近該理論極限，而無法直接實現(xiàn)，量子密鑰在實際應用中可以劃分安全級別。

　　量子密碼的安全性證明是極其復雜的數(shù)學和物理學課題，經(jīng)過了許多極其聰明的數(shù)學家和物理學家的不懈努力才得以弄清。最早對安全性證明貢獻比較大的科學家包括加拿大多倫多大學Hoi-Kwong Lo、美國加州理工學院物理學家John Preskill、麻省理工學院的Peter Shor、瑞士日內瓦大學的Nicolas Gisin、滑鐵盧大學物理與天文學系Norbert Lutkenhaus等。后來韓國學者Won-Young Hwang、清華大學的王向斌等也發(fā)揮了重大作用。近期，比較活躍的有瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的物理學家Renato Renner、加拿大滑鐵盧大學量子入侵實驗室的Vadim Makarov等人。

　　經(jīng)過多年的證明，他們形成了如下結論：如果以下假設能滿足，量子密鑰可以做到絕對安全。

　　1.量子力學是成立的；

　　2.協(xié)議執(zhí)行時間足夠長，碼長趨于無窮；

　　3.設備和儀器是可信的；

　　換言之，只要上述條件能夠滿足，即使使用量子計算機也無法破解量子密鑰。這也就是此前很多媒體宣傳量子密鑰絕對安全的來源。但具體實現(xiàn)中會有很多問題導致上述第2、3條假設無法滿足。例如，實現(xiàn)量子密碼的設備無法做到可信、協(xié)議執(zhí)行時無法做到碼長無窮，這些因素都會影響量子密鑰的安全性。

　　最早Makarov就發(fā)現(xiàn)，如果實際實現(xiàn)中的單光子探測器設計不合理，會導致系統(tǒng)被攻破，甚至量子密鑰毫無安全性可言。之后，大量學者做了更深入研究，找到了各種器件不完美導致的安全性漏洞，并給出彌補方法。但此發(fā)現(xiàn)打破了量子密鑰絕對安全的神話，量子設備也可能有漏洞，由此逐步引發(fā)了測量無關方案的研究。Renner對有限長密鑰的安全性做了系統(tǒng)性研究，證明了碼長有限的情況下，安全性只能以概率保證，并嚴格給出了安全概率和碼長的關系。從其結論可以看出，只有碼長無限長才能實現(xiàn)100%概率安全。如果碼長過短可能導致安全概率很低。安全概率是極其復雜的數(shù)學問題，目前國際上都是幾個數(shù)學高手在做，國內只有少數(shù)學者在做。 以上兩方面的研究都說明實際中的安全性只能逼近理論上的100%絕對安全，而無法達到。更困難的是，逼近絕對安全的過程極其復雜，無論對設備實現(xiàn)還是后處理算法均是挑戰(zhàn)。

　　在密鑰的實際運用中，也會再次遇到安全性的問題：在擁有大量對稱密鑰后不同的使用方式也會導致不同的安全結果。目前，我們所講的安全性是基于信息論創(chuàng)始人Shannon的定義，Shannon在上世紀40年代定義了無條件安全，他提出當密鑰與明文等長，并且使用一次一密加密時，可以做到無條件安全，無論任何手法都無法破譯。不過，在使用量子密鑰的過程中，由于量子密鑰的傳輸速率低，而傳統(tǒng)通信又是高速通信，根本無法做到密鑰明文等長的一次一密。

　　為了有效的使用量子密碼技術，我建議采用如下方案：在語音等低碼率通信并且安全強度要求極高的情況下，可以使用明密文等長的一次一密；在安全性要求次之的情況下，可以使用一包一密，由于包可以很大，所需密碼可以很短，從而實現(xiàn)高速通信；在普通情況下，可以采用每秒鐘更換多次密鑰和多包一密的模式，實現(xiàn)高速安全通信。實際上，即使多包一密也是每秒鐘更新多次密鑰，其安全系數(shù)遠遠超過了目前傳統(tǒng)通信中幾天更新密鑰甚至完全不更新密鑰的方式。

　　總而言之，在我看來，實際運用中量子密鑰只能逼近100%絕對安全而無法直接實現(xiàn)。相比于傳統(tǒng)密碼學，量子密碼的優(yōu)勢是其安全性在弱假設下完全可證，并且其可證的安全性包括對抗量子計算機在內的一切可允許的手段。從安全性可證明的角度來說，量子密碼可能是終極密碼。另外，根據(jù)實際情況和安全強度所需，調節(jié)密鑰更新和使用方法是一個很好的選擇。