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量子密碼學

指数 量子密碼學

量子密碼學泛指利用量子力学的特性來加密的科學。目前所使用的公开密钥加密與數位簽章(如RSA加密演算法或ElGamal)在具規模的量子電腦出現後,都會在短時間內被破解。量子密碼學的優勢在於,除了古典密碼學上的數學難題之外,再加上某些量子力學的特性,可達成古典密碼學無法企及的效果。例如,以量子態加密的資訊無法被複製。又例如,任何試圖嘗試讀取量子態的行動,都會改變量子態本身。這使得任何竊聽量子態的行動會被發現。量子密碼學最著名的例子是量子密鑰分發,而量子密鑰分發提供了通訊兩方安全傳遞密鑰的方法,且該方法的安全性可被資訊理論所證明。.

12 关系: 密码学不可克隆原理公开密钥加密秀爾演算法經典密碼观测者效应資訊理論安全性量子力学量子密鑰分發量子计算机RSA加密演算法數位簽章

密码学

密碼學(Cryptography)可分为古典密码学和现代密码学。在西欧語文中,密码学一词源於希臘語kryptós“隱藏的”,和gráphein“書寫”。古典密码学主要关注信息的保密书写和传递,以及与其相对应的破译方法。而现代密码学不只关注信息保密问题,还同时涉及信息完整性验证(消息验证码)、信息发布的不可抵赖性(数字签名)、以及在分布式计算中产生的来源于内部和外部的攻击的所有信息安全问题。古典密码学与现代密码学的重要区别在于,古典密码学的编码和破译通常依赖于设计者和敌手的创造力与技巧,作为一种实用性艺术存在,并没有对于密码学原件的清晰定义。而现代密码学则起源于20世纪末出现的大量相关理论,这些理论使得现代密码学成为了一种可以系统而严格地学习的科学。 密码学是数学和计算机科学的分支,同时其原理大量涉及信息论。著名的密碼學者罗纳德·李维斯特解釋道:「密碼學是關於如何在敵人存在的環境中通訊」,自工程學的角度,這相當于密碼學與純數學的差异。密碼學的发展促進了计算机科学,特別是在於電腦與網路安全所使用的技術,如存取控制與資訊的機密性。密碼學已被應用在日常生活:包括自动柜员机的晶片卡、電腦使用者存取密碼、電子商務等等。.

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不可克隆原理

不可克隆原理 是量子物理的一个重要结论,即不可能构造一个能够完全复制任意量子比特,而不对原始量子位元产生干扰的系统。量子力学的线性特征是这个原理的根本原因。 不可克隆原理是量子信息学的基础。量子信息在信道中传输,不可能被第三方复制而窃取信息而不对量子信息产生干扰。因此这个原理也是量子密码学的基石。.

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公开密钥加密

公开密钥加密(Public-key cryptography),也称为非对称加密(asymmetric cryptography),是密碼學的一種演算法,它需要兩個密钥,一個是公開密鑰,另一個是私有密鑰;一個用作加密的時候,另一個則用作解密。使用其中一個密钥把明文加密后所得的密文,只能用相對應的另一個密钥才能解密得到原本的明文;甚至連最初用來加密的密鑰也不能用作解密。由於加密和解密需要兩個不同的密鑰,故被稱為非對稱加密;不同於加密和解密都使用同一個密鑰的對稱加密。雖然兩個密鑰在数学上相关,但如果知道了其中一个,并不能憑此计算出另外一个;因此其中一个可以公开,称为公钥,任意向外發佈;不公开的密钥为私钥,必須由用戶自行嚴格秘密保管,絕不透過任何途徑向任何人提供,也不會透露給要通訊的另一方,即使他被信任。 基於公開密鑰加密的特性,它還提供數位簽章的功能,使電子文件可以得到如同在紙本文件上親筆簽署的效果。 公開金鑰基礎建設透過信任数字证书认证机构的根证书、及其使用公开密钥加密作數位簽章核發的公開金鑰認證,形成信任鏈架構,已在TLS實作並在万维网的HTTP以HTTPS、在电子邮件的SMTP以STARTTLS引入。 另一方面,信任網絡則採用去中心化的概念,取代了依賴數字證書認證機構的公鑰基礎設施,因為每一張電子證書在信任鏈中最終只由一個根證書授權信任,信任網絡的公鑰則可以累積多個用戶的信任。PGP就是其中一個例子。.

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秀爾演算法

演算法(Shor算法),以數學家彼得·秀爾命名,是一個在1994年發現的,針對整數分解這題目的的量子演算法(在量子計算機上面運作的演算法)。比較不正式的說,它解決題目如下:給定一個整數N,找出他的質因數。 在一個量子計算機上面,要分解整數N,秀爾演算法的運作需要多項式時間(時間是log N的某個多項式這麼長,log N在這裡的意義是輸入的檔案長度)。更精確的說,這個演算法花費的時間,展示出質因數分解問題可以使用量子計算機以多項式時間解出,因此在複雜度類BQP裡面。這比起傳統已知最快的因數分解演算法,普通數域篩選法,其花費次指數時間 -- 大約,還要快了一個指數的差異。 秀爾演算法非常重要,因為它代表使用量子計算機的話,我們可以用來破解已被廣泛使用的公開密鑰加密方法,也就是RSA加密演算法。RSA演算法的基礎在於假設了我們不能很有效率的分解一個已知的整數。就目前所知,這假設對傳統的(也就是非量子)電腦為真;沒有已知傳統的演算法可以在多項式時間內解決這個問題。然而,秀爾演算法展示了因數分解這問題在量子計算機上可以很有效率的解決,所以一個足夠大的量子計算機可以破解RSA。這對於建立量子計算機和研究新的量子計算機演算法,是一個非常大的動力。 在2001年,IBM的一個小組展示了秀爾演算法的實例,使用NMR實驗的量子計算機,以及7個量子位元,將15分解成3×5。.

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經典密碼

古典密碼是密碼學中的其中一個類型,其大部分加密方式都是利用替換式密碼或移項式密碼,有時則是兩者的混合。其於歷史中經常使用,但現代已經很少使用,大部分的已經不再使用了。一般而言,經典密碼是基於一個拼音字母(像是 A-Z)、動手操作或是簡單的設備。它們可能是一種簡單的密碼法,以致於不可信賴的地步,特別是有新技術被發展出來後。 現代的方法是用電腦或是其它數位科技,基於位元和位元組上操作。許多經典密碼被受尊重的人使用,像是尤利烏斯·凱撒和拿破崙,他們創造了一些常被人們使用的密碼。許多密碼起源於軍事上,相同立場的人常使用來寄送秘密訊息。經典的方法常攻擊密碼文,有時候甚至不知其密碼系統,也可以使用工具,像是頻率分析法。有些經典密碼是使用先進的機器或是機電密碼機器,像是恩尼格瑪密碼機。.

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观测者效应

观测者效应,是指“观测”这种行为对被观测对象造成一定影响的效应。 在量子力学实验中,如果要测算一个电子所处的速度,就要用两个光子隔一段时间去撞击这个电子,但第一个光子就已经把这个电子撞飞了,便改变了电子的原有速度,我们便无法测出真正准确的速度(不確定原理)。时间流逝的快慢也会受到观测者的影响,用很高的频率去观测粒子的衰变,反而使得粒子长时间不衰变。 这种效应在生活中极其常见。有人稱:「『螳螂吃夫』是众人皆知的常见生物现象。但后来却有学者发现自然界中其实并不存在这一现象,雌螳螂之所以吃掉雄螳螂,是因为观察者在场引起了它的紧张,误把自己的丈夫当成了敌人」云云,然而,此種說法是否正確尚有疑問。.

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資訊理論安全性

一個密碼系統具有資訊理論安全性(Information-theoretic security),意思是說它的安全性完全是以資訊理論為基礎的。這種安全性要求即使攻擊者有無限的計算能力也不能破解它。由於一定要使對手根本沒有足夠的資訊來破解,所以這些密碼系統被認為是不能以密碼分析破解的。關於計算強度有一些不能證明的假設,具有資訊理論安全性的加密協議不依靠這種假設,所以當未來電腦有新的發展,例如量子計算,它不容易受到影響。一個具有資訊理論安全性的例子是一次性密碼本。資訊理論安全性通信的概念是在1949年由資訊理論的發明者,美國數學家克勞德·夏農提出來,並用來證明一次性密碼本的系統是安全的。具有資訊理論安全性的密碼系統已被用於最敏感的政府通訊,因為敵方政府會盡最大努力試圖破解。 有一個有趣的特例是完善保密性:密碼系統產生的密文,在沒有密鑰的情況下,除了總長度以外,不可能洩漏任何有關明文的資訊。這其實就是一次性密碼本的保密原理。如果 E 是一個具有完善保密性的加密函數,就任何已知的明文 m 對每個密文 c 至少存在一個密鑰 k 滿足 c.

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量子力学

量子力学(quantum mechanics)是物理學的分支,主要描写微观的事物,与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱,许多物理学理论和科学,如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的學科,都是以其为基础。 19世紀末,人們發現舊有的經典理論無法解釋微观系统,於是經由物理學家的努力,在20世紀初創立量子力学,解釋了這些現象。量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。除透过广义相对论描写的引力外,迄今所有基本相互作用均可以在量子力学的框架内描述(量子场论)。 愛因斯坦可能是在科學文獻中最先給出術語「量子力學」的物理學者。.

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量子密鑰分發

量子密鑰分發(),是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥,来加密和解密訊息。 量子密鑰分發的一个最重要的,也是最独特的性质是:如果有第三方试图窃听密码,则通信的双方便会察觉。这种性质基于量子力学的基本原理:任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰。第三方试图窃听密码,必须用某种方式测量它,而这些测量就会带来可察觉的异常。通过量子叠加态或量子纠缠态来传输信息,通信系统便可以检测是否存在窃听。当窃听低于一定标准,一个有安全保障的密钥就可以产生了。 量子密鑰分發的安全性基于量子力学的基本原理,而传统密码学是基于某些数学算法的计算复杂度。传统密码学无法察觉窃听,也就无法保证密钥的安全性。 量子密鑰分發只用于产生和分发密钥,并没有传输任何实质的訊息。密钥可用于某些加密算法来加密訊息,加密过的訊息可以在标准信道中传输。跟量子密鑰分發最常見的相關演算法就是一次性密碼本,如果使用保密而隨機的密鑰,這種演算法是。再實際的運用上,量子密鑰分發常常被拿來與對稱密鑰加密的加密方式,像是高级加密标准這類演算法一同使用。也有量子密鑰分發的案例,使在完美單一光子來源和偵測器的假設之下所做的比較,這並不容易實作。.

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量子计算机

量子计算机(quantum computer)是一种使用量子邏輯進行通用計算的設備。不同於电子计算机(或稱傳統電腦),量子計算用來存儲數據的對象是量子比特,它使用量子演算法來進行數據操作。马约拉纳费米子反粒子就是自己本身的属性,或许是令量子计算机的制造变成现实的一个关键。.

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RSA加密演算法

RSA加密演算法是一种非对称加密演算法。在公开密钥加密和电子商业中RSA被广泛使用。RSA是1977年由罗纳德·李维斯特(Ron Rivest)、阿迪·萨莫尔(Adi Shamir)和伦纳德·阿德曼(Leonard Adleman)一起提出的。当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。 1973年,在英国政府通讯总部工作的数学家克利福德·柯克斯(Clifford Cocks)在一个内部文件中提出了一个相同的算法,但他的发现被列入机密,一直到1997年才被發表。 對极大整数做因数分解的难度決定了RSA算法的可靠性。換言之,對一极大整数做因数分解愈困难,RSA算法愈可靠。假如有人找到一种快速因数分解的算法的话,那么用RSA加密的--的可靠性就肯定会极度下降。但找到这样的算法的可能性是非常小的。今天只有短的RSA钥匙才可能被强力方式--。到目前为止,世界上还没有任何可靠的攻击RSA算法的方式。只要其钥匙的长度足够长,用RSA加密的--实际上是不能被--的。 1983年9月12日麻省理工学院在美国为RSA算法申请了专利。这个专利2000年9月21日失效。由于该算法在申请专利前就已经被發表了,在世界上大多数其它地区这个专利权不被承认。.

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數位簽章

數位簽章(又称公鑰數位簽章,Digital Signature)是一種類似写在纸上的普通的物理签名,但是使用了公钥加密领域的技术实现,用于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算,一个用于签名,另一个用于验证,但法條中的電子簽章與數位簽章,代表之意義並不相同,電子簽章用以辨識及確認電子文件簽署人身分、資格及電子文件真偽者。而數位簽章則是以數學演算法或其他方式運算對其加密,才形成電子簽章,意即使用數位簽章才創造出電子簽章。 数字签名不是指将签名扫描成数字图像,或者用触摸板获取的签名,更不是落款。 数字签名了的文件的完整性是很容易验证的(不需要骑缝章、骑缝签名,也不需要笔迹鑑定),而且数字签名具有不可抵赖性(即不可否認性),不需要笔迹专家来验证。.

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