人們說量子密碼具有絕對(duì)安全性，意思是指量子密碼不可能用數(shù)學(xué)方法破解，要竊密只能用物理方法攻擊設(shè)備。也就是說，如果設(shè)備是可靠的，那么就絕對(duì)不會(huì)泄密。

傳統(tǒng)密碼術(shù)

密碼術(shù)的基本目的是為了解決一個(gè)問題：如何在不安全的信道上，安全地傳輸信息？

解決辦法是通信雙方隱藏一些信息，在不安全的信道上只傳送密文，用這些隱藏信息把密文還原成明文。這些隱藏信息就叫作密鑰。所有的密碼術(shù)都包含兩個(gè)元素：密鑰和算法。

現(xiàn)在的絕大多數(shù)加密方法，都是基于某種數(shù)學(xué)問題的單向困難性。也就是說，一個(gè)問題沿著正方向解決很容易，你可以用它來加密，但逆方向就很困難，導(dǎo)致破解很困難。

現(xiàn)在最常用的密碼體系——RSA密碼體系的三位發(fā)明者

為什么許多曾經(jīng)被認(rèn)為牢不可破的密碼體系，最終都被破解了呢？有一個(gè)深刻的原因是，在數(shù)學(xué)上，任何一個(gè)實(shí)際在用的問題都沒有被證明是單向困難的。實(shí)際上，就連單向困難的數(shù)學(xué)問題是否存在，我們都還不知道。

　　因此，我們應(yīng)該有個(gè)基本的概念：所有基于數(shù)學(xué)的密碼的安全性，都是未經(jīng)證明的！到目前為止，唯一的已經(jīng)證明不可能被數(shù)學(xué)破解的密碼就是量子密碼。因此，量子密碼的價(jià)值一目了然。

量子密碼術(shù)

量子密碼術(shù)是怎么實(shí)現(xiàn)保密的呢？跟傳統(tǒng)密碼術(shù)一樣，也是通過算法和密鑰。實(shí)際上，量子密碼術(shù)用的算法還是個(gè)特別簡(jiǎn)單的算法，簡(jiǎn)單到三言兩語就能說清楚。

任何一串信息，都可以表示成一串二進(jìn)制字符，即一串 0 和 1。對(duì)這個(gè) 01 字符串的每一位數(shù)字a，我們都給它一個(gè)對(duì)應(yīng)的密鑰 k，這個(gè)k 也是一個(gè) 0 或 1 的數(shù)字。根據(jù) a 和k，就可以算出對(duì)應(yīng)的密文 b，它也是一個(gè) 0 或 1的數(shù)字。

對(duì)應(yīng)的規(guī)則是：如果 k= 0，那么 b就等于 a；如果k= 1，那么b 就等于 0 和 1 中不等于 a 的那一個(gè)。也就是說，k = 0 就把 0 變成 0，1 變成 1，而 k =1 就把 0 變成1，1 變成 0。再簡(jiǎn)單一點(diǎn)說， k= 0 就不變， k= 1 就將 0 和1 互換。這個(gè)算法叫作“異或”。

你也許會(huì)感到奇怪，那么多復(fù)雜的算法都保不了密，這個(gè)最簡(jiǎn)單的算法憑什么可以？

訣竅不在于算法，而在于密鑰。請(qǐng)注意，這里的密鑰不是只有一位數(shù)字。如果只有一位數(shù)字，那當(dāng)然完全沒有保密效果。實(shí)際情況是，對(duì)于原文的每一位，都相應(yīng)地有一位密鑰。也就是說，如果原文的長(zhǎng)度是n 位，那么密鑰的長(zhǎng)度也是n位。如果原文像《紅樓夢(mèng)》那么長(zhǎng)，那么密鑰也需要這么長(zhǎng)。

《紅樓夢(mèng)》

另外，這串密鑰的字符串還必須是個(gè)隨機(jī)的字符串。也就是說，每一位都是隨機(jī)的 0 或者 1，任意兩位數(shù)之間，沒有任何聯(lián)系。

此外，這么長(zhǎng)的密鑰，還只能用一次。也就是說，你這次用n 位的密鑰傳輸 n位的原文，下次你傳同樣的內(nèi)容，還必須從頭再來，重新構(gòu)造 n位的密鑰，千萬不能把原來的密鑰再用一次。這叫作“一次一密”。

量子密碼術(shù)中的密鑰就是滿足這樣 3 個(gè)條件的字符串：長(zhǎng)度跟明文相等，隨機(jī)，一次一密。

為什么要這樣做呢？因?yàn)檫@樣就絕對(duì)不會(huì)被數(shù)學(xué)方法破譯。為什么不可能被破譯？因?yàn)檫@樣的一段密文，可能對(duì)應(yīng)任何的一段跟它等長(zhǎng)的明文，而且概率相等。比如說，既可能對(duì)應(yīng)“明天上午向東進(jìn)攻”，也可能以同樣的概率對(duì)應(yīng)“后天下午向西撤退”或“飛出地球移民宇宙”……

對(duì)這樣沒有任何偏向性的密文，數(shù)學(xué)分析完全無從下手，因?yàn)檫@里根本就沒有一個(gè)讓你解決的數(shù)學(xué)問題。

長(zhǎng)度跟明文相等、隨機(jī)、一次一密，滿足這 3 個(gè)條件的密鑰叫作“一次性便箋”。因此，密碼學(xué)中一個(gè)重要的定理就是：用一次性便箋加密的密文，是絕對(duì)不可破譯的。這條定理是信息論的創(chuàng)始人克勞德·香農(nóng)證明的。

克勞德·香農(nóng)

值得注意的是，一次性便箋中的 3 個(gè)條件缺一不可。無論是密鑰長(zhǎng)度小于明文，還是密鑰的各位之間有聯(lián)系，還是同一串密鑰用了兩次，都會(huì)導(dǎo)致密文呈現(xiàn)某種結(jié)構(gòu)，這樣對(duì)手就有了著力之處，就可能通過頻率分析之類的手段破解密碼。

一次性便箋方法早在第一次世界大戰(zhàn)的末期就發(fā)明了，但很少實(shí)際應(yīng)用。原因是，傳送這樣大量的密鑰非常困難。如果像《紅燈記》《潛伏》等諜戰(zhàn)片一樣，派信使去傳密鑰，那么一旦信使被抓或叛變，損失將十分巨大。因此，一次性便箋方法只用在不惜任何代價(jià)要保證信息安全的地方，例如國(guó)家元首之間的通話。

量子密碼術(shù)改變了這種狀況，它的辦法是：用量子力學(xué)的物理方法，在通信雙方之間產(chǎn)生一次性便箋密鑰。這里的關(guān)鍵是：雙方同時(shí)獲得了密鑰！沒有第三者信使在中間傳輸！

這是非常巧妙的思想，是量子力學(xué)創(chuàng)造的奇跡。量子密碼術(shù)的技術(shù)含量，就是表現(xiàn)在這里。量子密鑰的產(chǎn)生過程，同時(shí)就是分發(fā)過程，因此量子密碼術(shù)又有個(gè)專業(yè)名稱，叫作“量子密鑰分發(fā)”。

量子密鑰分發(fā)

那么，量子密碼術(shù)是怎么實(shí)現(xiàn)無信使的密鑰分發(fā)的呢？一個(gè)簡(jiǎn)略的解釋是：量子密碼術(shù)利用了量子力學(xué)中的兩個(gè)原理，一個(gè)是疊加原理，另一個(gè)是測(cè)量可能導(dǎo)致狀態(tài)突變?；谶@兩個(gè)原理，通過發(fā)射和接收一系列處于隨機(jī)狀態(tài)的單光子，來使通信雙方獲得一串相同的隨機(jī)字符串。這串隨機(jī)字符串就是一次性便箋密鑰。

量子力學(xué)中的疊加

量子力學(xué)中的測(cè)量

通過一系列操作以后，雙方都獲得了一串隨機(jī)的 0 和 1，比如說0010111001001010101……最重要的是，雙方的這個(gè)字符串完全一樣。這就是最終的效果。

有了密鑰之后，就用“異或”加密算法，用密鑰把明文加密成密文，把密文發(fā)送出去。既然密文已經(jīng)是不可破譯的了，這一步就不需要任何特別的設(shè)備，直接在傳統(tǒng)信道上大搖大擺地走就是了，敵方截獲也無妨。

一個(gè)常見的誤解，是以為最后的信息傳送要通過某種量子信道。當(dāng)他們知道傳統(tǒng)信道就行的時(shí)候，就感到大惑不解，甚至以為搞量子通信的都是騙子。

另一個(gè)常見的誤解，是以為密鑰也要通過傳統(tǒng)信道傳輸。這是絕對(duì)不可能的，如果要將密鑰通過不安全的信道發(fā)出去，那就完全失去了保密的意義。任何密碼系統(tǒng)都不會(huì)愚蠢到這種程度。

總結(jié)一下，量子密碼術(shù)真實(shí)的做法是：用量子信道產(chǎn)生密鑰，用傳統(tǒng)信道傳送密文。你也許想問：既然量子信道可以保證不泄密，那為什么不直接用量子信道傳輸信息，而只是傳輸密鑰呢？因?yàn)檫@種量子力學(xué)的操作只能產(chǎn)生隨機(jī)字符串，隨機(jī)字符串的信息量是零，所以這種操作本身不能傳輸信息。因此，這種方法的提出者在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)想不出它有什么用，直到發(fā)現(xiàn)這段隨機(jī)字符串可以作密鑰，才讓這種方法有了用武之地。

量子密碼的攻防

如果需要破解量子密碼，又該怎么辦呢？基本的框架其實(shí)很簡(jiǎn)單。既然數(shù)學(xué)方法不可能破譯量子密碼，那么唯一的途徑當(dāng)然就是物理方法，用各種手段入侵量子通信設(shè)備。

在對(duì)傳統(tǒng)密碼的破解中，主要考慮數(shù)學(xué)破解，是因?yàn)橛脭?shù)學(xué)就“有可能”破解它們，而不是“只有”用數(shù)學(xué)才能破解它們。

因此，量子密碼術(shù)和傳統(tǒng)密碼術(shù)的對(duì)比，并不是前者的威脅只來自物理，后者的威脅只來自數(shù)學(xué)。應(yīng)該是量子密碼術(shù)面臨的威脅只來自物理，傳統(tǒng)密碼術(shù)面臨的威脅來自數(shù)學(xué)加物理！

量子密碼術(shù)現(xiàn)在的研究前沿，就是在假定敵方成功地進(jìn)行了若干種物理攻擊的前提下，仍然能夠保證信息不泄露。

一個(gè)研究前沿叫作“測(cè)量?jī)x器無關(guān)的量子密鑰分發(fā)”。這個(gè)術(shù)語的意思是，即使敵方獲取了我們的測(cè)量?jī)x器，我們?nèi)匀挥修k法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并中止生成密鑰，從而避免泄露信息。這方面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已經(jīng)成功，下一步是提高成碼率的問題。在這個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)也走在世界前列。