經典密碼學與量子密碼學的區別

經典密碼學

經典密碼學採用多種數學方法來防止竊聽者獲知加密傳輸的內容。下面列出其中最常用和最廣泛接受的方法。在本文中，傳送方被稱為“愛麗絲”，接收方被稱為“鮑勃”，竊聽者被稱為“伊芙”。

量子密碼學

這是一種利用“量子力學”的密碼學。建立量子通道需要在傳送端和接收端都使用*偏振濾光片*。因此，在傳送端，我們可以傳送具有特定偏振的訊號，在接收端，我們可以測量光子的偏振。

有兩種型別的偏振濾光片：*直線型*和*對角型*。直線型濾光片具有水平和垂直的光子方向，而對角型濾光片具有45度和135度光子方向。垂直排列的方解石晶體和兩個檢測器（例如光電倍增管）可以檢測這兩個方向。

• 首先，愛麗絲建立併發送一系列具有隨機偏振（0、45、90或135度）的光子給鮑勃。

• 鮑勃接收光子，並隨機選擇測量其直線型或對角型偏振。

• 之後，鮑勃宣佈他進行的測量型別（直線型或對角型），但不會公佈每個光子的測量結果。

• 愛麗絲直接告訴他是否正確測量了每個光子。

• 然後，愛麗絲和鮑勃拒絕鮑勃進行錯誤測量或他的探測器未能檢測到光子的任何情況。

量子密碼學與經典密碼學對比

我們將從以下四個方面比較量子密碼學和經典密碼學：

• 主要維度

• 商業維度

• 應用維度

• 技術維度

主要維度

原則上，任何傳統的私人通道都可以很容易地被秘密監視，而傳送方或接收方都不會察覺到竊聽行為。

經典物理學是宏觀實體和現象（如無線電波）的理論，它允許測量物體的物理特性而不干擾其他特性。密碼金鑰資訊包含在特定物體或訊號的可計算物理特性中。因此，在經典密碼學中，被動竊聽是真實存在的可能性。

量子理論是量子密碼學的基礎，被認為支配著所有物體，但其影響在單個原子或亞原子粒子（如微觀系統）中最為明顯。

• 在經典密碼學中，由於處理能力每18個月翻一番，計算成本隨著時間的推移迅速下降[摩爾定律]，因此通常需要更大的金鑰。因此，基於k位元金鑰的安全方法將來可能會變得不安全，需要不斷更新。

• 另一方面，量子密碼學的安全性基於量子物理學的根本規律，因此未來需求發生重大變化的可能性極小。

商業維度

目前已經存在量子密碼學的商業解決方案；但是，它們僅適用於點對點連線。另一方面，西門子和格拉茨技術大學開發的一種加密晶片允許構建具有多個成員的網路，但是每臺裝置10萬歐元的成本使得該系統價格過高且勞動密集。

傳統密碼學幾乎可以免費地透過軟體實現。此外，基於經典密碼學的密碼系統可以實現在諸如智慧卡之類的微型硬體元件上，但在量子密碼學的情況下，縮小到這種程度需要大量的研究。

應用維度

數字簽名向接收者證明數字資料的有效性。數字簽名確保通訊是由已知的傳送者建立的，並且在傳輸過程中未被篡改。金鑰生成、簽名和金鑰驗證是三個主要演算法。但是，我們都知道，在量子密碼學中難以實現這些演算法。

因此，量子密碼學缺乏一些關鍵功能，例如數字簽名、認證郵件等。

技術維度

中國科學家實現了世界最長距離的量子通訊傳輸，也被稱為“瞬時物質傳輸技術”。中科大和清華大學合肥國家實驗室的研究人員利用自由空間量子通訊實驗，成功地將通訊距離提高到10公里。然而，傳統密碼學可以用於數百萬公里的長距離通訊。根據最新的研究，東芝已經實現了量子金鑰分發的新的記錄位元率，平均為1 Mbit/s。另一方面，經典密碼學的位元率很大程度上取決於處理能力。

結論

量子密碼學是基於量子力學和資訊理論原理的結合。QC安全標準基於經典資訊理論原理和海森堡不確定性原理。

實驗表明，金鑰可以在短距離低位元率下傳輸。它與傳統的秘密金鑰密碼方法結合使用，可以顯著提高資料傳輸的安全性。很明顯，即使一些問題仍然沒有解決，量子密碼學也比經典密碼學具有明顯的優勢。

Pranav Bhardwaj

更新於：2021年11月5日

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