量子密碼學

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公鑰密碼學是一種主要用於透過交換金鑰來保護資訊安全的方法。它比其他方法慢，因此主要用於共享金鑰而不是加密大量資料。

例如，RSA和Diffie-Hellman等系統通常用於在不同參與方之間共享金鑰。但是，由於它們速度較慢，許多地方都混合使用公鑰和共享金鑰系統。這樣，它們既可以獲得共享金鑰的速度，又可以獲得公鑰的安全性。

但是，公鑰系統也存在一些風險。它們依賴於某些數學問題很難解決的假設。但是，如果計算機的速度變得更快或發現了新的數學技巧，這些系統可能就不再安全了。

因此，未來的技術或數學發現可能會降低公鑰系統的安全性。這對國家安全或保護機密等方面來說可能是一個很大的問題。如果發生這種情況，我們將不得不花費大量的時間和金錢來尋找新的方法來保護資訊安全。

什麼是量子密碼學？

量子密碼學，也稱為量子加密，是幾種網路安全解決方案中的一種，用於加密和傳輸安全資訊，這些解決方案依賴於量子力學的自然發生且不變的規律。

量子力學基礎

量子密碼學主要基於量子力學的幾個基本原理：

• 在量子水平上，粒子可以同時存在於多個位置或狀態。很難預測它們的具體量子態。
• 光子是光的最小粒子，可以賦予其獨特的極性或自旋，可以作為經典計算系統中零和一的二進位制對應物。
• 根據量子物理學規則，僅僅測量或觀察量子系統就會對該系統產生可測量的影響。
• 雖然某些粒子的特性可以複製，但完整的克隆被認為是不可能的。

量子密碼學如何工作？

量子密碼學，也稱為量子金鑰分發 (QKD)，使用一系列光子透過光纖連線傳送資料。透過比較這些光子子集屬性的測量值，兩個端點可以確定金鑰是什麼以及是否安全使用。

分解過程有助於更好地描述它：

• 發射器使用濾光器傳送光子，該濾光器隨機為它們分配四種極化和位元指定中的一種：垂直（一位）、水平（零位）、右45度（一位）和左45度（零位）。
• 光子被髮送到接收器，接收器使用兩個分束器（水平/垂直和對角線）來“讀取”每個光子的極化。接收器無法確定對每個光子使用哪個分束器，只能猜測。
• 一旦光子流傳送完畢，接收器就會告知傳送器對序列中的每個光子使用了哪個分束器，傳送器將該資訊與用於傳送金鑰的偏振器序列進行匹配。使用不正確的分束器讀取的光子將被消除，生成的位元序列構成金鑰。

如果竊聽者讀取或複製光子，其狀態就會發生變化。端點將檢測到這種修改。換句話說，您無法在不被發現的情況下讀取、轉發或複製光子。

示例

在這個例子中，Alice和Bob使用量子金鑰分發 (QKD) 安全地傳送秘密訊息。以下是它的工作原理：

• Alice想向Bob傳送一條秘密訊息，但他們需要一種安全的方法來做到這一點。
• Alice透過光纖電纜向Bob傳送光子（光粒子）。每個光子都具有稱為極化的獨特特性，可以是水平的、垂直的、對角線的或反對角線的。
• 懷有惡意意圖的Eve想竊聽Alice和Bob的談話。Eve試圖透過讀取光子穿過連線時的資訊來破譯秘密訊息。
• 但是，當Eve試圖讀取光子時，她會改變其量子態。這種變化會在Alice和Bob用來加密其通訊的量子金鑰中引入錯誤。
• Alice和Bob很聰明。他們已經構建了他們的系統來檢測對量子金鑰的更改。當他們在金鑰中發現錯誤時，他們就知道有人（可能是Eve）在破壞他們的連線。
• 為了安全起見，Alice和Bob迅速丟棄了受損的金鑰。他們知道它不再安全，因為Eve篡改了它。
• 然後，Alice生成一個未受損的新金鑰。她安全地將新金鑰傳送給Bob。
• 現在他們有了安全的金鑰，Bob就可以解密Alice的秘密訊息了。因為他們識別並阻止了Eve的竊聽企圖，所以他們可以放心地進行通訊，而不用擔心他們的訊息被攔截。

量子密碼學中的攻擊

量子密碼學被開發出來具有高度安全性，但它並非對所有威脅都有抵抗力。對量子密碼學的一些可能的攻擊包括：

• 木馬攻擊 - 在這種攻擊中，竊聽者可以干擾用於通訊的量子裝置。竊聽者可能會透過引入問題或漏洞來未經授權地訪問共享的金鑰。
• 側通道攻擊 - 這些攻擊利用量子密碼系統物理設定方式中的漏洞。例如，竊聽者可以跟蹤裝置的功耗或電磁訊號以瞭解更多關於金鑰的資訊。
• 光子數分裂攻擊 - 竊聽者捕獲Alice傳送的光子。由於光子數分裂機制，他可以獲取資訊而Alice或Bob並不知情。某些量子金鑰分發協議容易受到此類攻擊。
• 量子儲存攻擊 - 在某些情況下，竊聽者可以使用稱為量子儲存的特殊裝置。這使得竊聽者能夠儲存量子資訊而不會對其造成干擾。竊聽者可以稍後再返回並測量儲存的資訊以查詢金鑰而不會被發現。

量子密碼學的安全性

量子密碼術非常安全，因為它遵循量子物理學的原理，即對微小粒子的研究。如果有人干擾愛麗絲和鮑勃之間傳送的光子，它們的狀態就會改變。愛麗絲和鮑勃將檢測到這種干擾，這表明有人試圖竊聽。這一切都歸功於“不可克隆定理”，該定理指出，你無法建立一個你完全不瞭解的量子態的精確複製品。因此，基本上，量子通訊的安全性由物理規則保證，使其無法被攻擊。

應用

量子密碼術可以透過提供一種高度安全的抗網路攻擊的資訊傳送機制來改變我們的溝通方式。以下是一些應用：

• 使用量子密碼術，我們可以確保我們的金融交易完全安全。網路罪犯將無法竊取重要的金融資訊，因為它受到量子技術的保護。
• 軍方和政府人員可以使用量子密碼術來溝通敏感資訊，而無需擔心被檢測到。這就像擁有一條超級安全的、防駭客的電話線路。
• 它可以保護我們的健康資訊。無論是健康資訊還是醫學研究，我們的敏感醫療資料都將免受網路攻擊。
• 量子密碼術可以使我們的智慧裝置（如智慧恆溫器和門鎖）安全使用。這些裝置通常計算能力有限，很容易成為駭客的目標。但是有了量子密碼術，它們的通訊線路將極其安全。

優勢

量子密碼術透過一些規則提供了增強的網際網路安全性：

• 可以檢測竊聽並允許接收者請求另一個金鑰。
• 提供各種安全機制。
• 由於量子態變化迅速，它們幾乎不可能被攻擊。
• 提供各種安全選項。

缺點

量子密碼術的缺點如下：

• 量子密碼術僅限於短距離使用。
• 大規模部署成本極高。
• 在現實生活中，這項技術仍處於早期階段。
• 傳輸介質可能會影響光子的偏振。

經典密碼術與量子密碼術

根據訊息的加密和解密型別，我們可以區分經典密碼術和量子密碼術：