2017-2018-2 20179203《密碼與安全新技術》第1周做業

20179203 2017-2018-2 《密碼與安全新技術》第1周做業

課程：《密碼與安全新技術》
班級： 1792
姓名： 李鵬舉
學號：20179203
上課教師：謝四江
上課日期：2018年3月15日
必修/選修： 必修

1、學習內容總結

1.1 薛定諤的貓

老師用一個經典的思惟實驗帶咱們走進了量子密碼，薛定諤的貓是什麼呢：當把一隻貓放到一個放有毒物的盒子中，而後將盒子蓋上，過了一會問這個貓如今是死了，仍是活着呢？量子物理學的答案是：它既是死的也是活的。有人會說，打開盒子看一下不就知道了，是的，打開盒子貓是死是活確實就會知道，可是按量子物理的解釋：這種死或者活着的狀態是人爲觀察的結果，也就是人的宏觀干擾使得貓變成了死的或者活的了，並非盒子蓋着時的真實狀態，一樣，微觀粒子在不被「干擾」以前就一直處於「死」和「活」兩種狀態的疊加，也能夠說是它既是「0」也是「1」。由這個有趣的實驗向咱們介紹了量子糾纏的概念。

1.2 量子通訊的原理

謂量子通訊是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通信方式，是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。光量子通訊主要基於量子糾纏態的理論，使用量子隱形傳態（傳輸）的方式實現信息傳遞。根據實驗驗證，具備糾纏態的兩個粒子不管相距多遠，只要一個發生變化，另一個也會瞬間發生變化，利用這個特性實現光量子通訊的過程以下：事先構建一對具備糾纏態的粒子，將兩個粒子分別放在通訊雙方，將具備未知量子態的粒子與發送方的粒子進行聯合測量（一種操做），則接收方的粒子瞬間發生坍塌（變化），坍塌（變化）爲某種狀態，這個狀態與發送方的粒子坍塌（變化）後的狀態是對稱的，而後將聯合測量的信息經過經典信道傳送給接收方，接收放根據接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換（至關於逆轉變換），便可獲得與發送方徹底相同的未知量子態。
量子通訊系統,按其所傳輸的信息是經典仍是量子而分爲兩類。前者主要用於量子密鑰的傳輸，後者則可用於量子隱形傳態和量子糾纏的分發。所謂隱形傳送指的是脫離實物的一種「徹底」的信息傳送。從物理學角度，能夠這樣來想象隱形傳送的過程：先提取原物的全部信息，而後將這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物徹底相同的基本單元，製造出原物完美的複製品。可是，量子力學的不肯定性原理不容許精確地提取原物的所有信息，這個複製品不多是完美的。所以長期以來，隱形傳送不過是一種幻想而已。

1.3 量子計算的重大意義

1.3.1 目前的加密算法

• 1.對稱密碼體制
  1)優點：加密速度快，批量加密
  2)劣勢：密鑰分配難

• 2.非對稱密碼體制
  1)優點：密碼分配、管理容易，用於簽名
  2)劣勢：加密速度慢

• 3.混合密碼體制
  實際中常用，公鑰密碼加密一個用於對稱加密的短時間密碼，再由這個短時間密碼在對稱加密體制下加密實際須要安全傳輸的數據。

1.3.2 量子計算的優點

• 1.針對公鑰密碼算法：Shor算法和大數分解算法
• 2.針對對稱密碼算法：Grover算法和快速搜索算法

1.4 量子通訊協議——BB84協議

BB84協議和以後改進的B92是國際上首個量子密鑰分發協議，從1984年國際上提出以來，增長安全通訊距離、提升安全成碼率和提升現實系統安全性，成爲開發實用性量子密鑰分發的三大目標。
協議的運行流程總結以下：

首先，Alice和Bob共享兩個極化基(photom polorization bases) D和R；
D和R能夠被理解爲兩臺「機器」，他們都能各自生成和測量對應0，1的量子比特（quantum bit, qbit），以下圖所示。

另外一個關鍵就是，若是將D生成qbit給R進行測量，測量結果不可預測。也就是說，若是用R來測量由D生成的Qbit，測量結果的意義就和直接猜差很少。

接下來開始作密鑰協商，通訊首先是在量子信道上進行。

1. Alice選出一個0-1 bit串S（好比）；
2. Alice 逐位隨機選取D或R，而後經過量子信道發送S裏0，1對應生成的量子態（qbit）；
3. Bob經過量子信道收到Alice發送的信息後，隨機使用兩個極化基D和R來一位一位地測量量子態，逐個獲得0，1；
4. Bob 經過公共信道向Alice發送部分本身的測量步驟，即告訴Alice本身在每一個Qbit上用的究竟是D仍是R來作測量；
5. Alice 對比本身的選擇和Bob的選擇，而後告訴Bob他在哪些位置上用的D和R是正確的；
   這些正確位置在S，即Alice先選擇的串中，惟一肯定了另外一個0-1 bit串，不妨稱之爲 pms，相似TLS的pre-master secret
6. Bob收到Alice的迴應後，隨機選擇若干個他在正確位上的測量結果告知Alice；
7. Alice確認Bob的正確性。若是Bob出錯，則回到1.或者終止通訊，不然Alice給Bob發確認信息，同時從pms串中剔除 Bob公佈的部分，剩下的做爲通信密鑰；
8. Bob收到Alice的確認信息後，一樣從pms中剔除 Bob公佈的部分，剩下的做爲通信密鑰。

2、學習中的問題和解決過程

2.1 量子通訊普及的可能性？

老師上課時說到這個，說量子通訊網正在建設過程當中，並且已經逐步的融入到政府辦公的體系當中了，可是我仍是要問這樣的量子通訊是實際說的量子通訊嗎？真正的量子通信是利用量子糾纏理論不依賴時空的通信。那樣咱們跟火星之間通信也不會有嚴重延遲，更不會有中間物體好比天氣等的影響。這樣的通訊方式在我看來很匪夷所思，並且因爲其通訊的迅速性，我相信想要對其進行監聽或者信息攔截十分的困難，若是真的推廣民用化，那麼一些危險信息的監聽控制不就變得難以實現了嗎？

2.2 量子計算的應用

量子計算擁有許多優點：1. 量子計算的計算能力要比經典計算要強。可是至於強多少，如今沒有嚴格的證實，這一點我已經說了不少次了。2^N只是人們構想的。量子計算能夠到達的計算空間是post-BQP，至於這個post-BQP到底有多大，沒有人知道。2. 量子計算機的速度要快。咱們只是已知全部的經典計算均可以有效的變成量子計算。至於量子計算能快多少，咱們也不知道。是否是有量子算法能夠有效的解決NP-Hard，甚至有效的解決P-space，甚至更快。這些都還有待研究。3. 量子計算節能。因爲量子計算都是unitary operator（幺正），是可逆的計算。也就是說只有在一次量子計算結束時（測量量子態時）纔會出現熵增。這個也是量子計算在物理意義上的優點。經典計算永遠不可能有這個優點。可是在這些優點的前提下，量子計算真的推廣到民用有什麼用處呢，老百姓貌似很難從高速計算中獲利，量子計算仍是應當應用於研究領域，會加快許許多多東西的計算和發展，可是直接應用在生活中估計很難見到。

3、學習感悟

量子計算、量子通訊是一個很是火爆的熱門話題，可是就像我在上文中提到的與一些其餘的技術相比，民用推廣較困難，所以一直不懂這是什麼，此次老師經過一個個實驗和具體的應用深刻淺出的向咱們展現了量子計算的真面目，讓我對量子計算產生了很高的興趣，但願接下來能夠深刻了解學習。