量子密码学

量子密码学是利用量子力学特性来执行密码任务的科学。量子密码学最著名的例子是量子密钥分配，它为密钥交换问题提供了一个信息理论上的安全解决方案。

量子密码学的优势在于，它允许完成各种被证明或猜测为只用经典（即非量子）通信不可能完成的密码学任务。

例如，不可能复制在量子状态下编码的数据。如果有人试图读取编码的数据，由于波函数坍缩，量子态将被改变（无克隆定理）。这可用于检测量子密钥分配（QKD）中的窃听行为。

在20世纪70年代初，当时在纽约哥伦比亚大学的斯蒂芬-威斯纳提出了量子共轭编码的概念。他的开创性论文《共轭编码》被IEEE信息论学会拒绝，但最终于1983年发表在SIGACT新闻上。

在这篇论文中，他展示了如何通过对两个共轭观测变量（如光子的线性和圆形偏振）进行编码来存储或传输两个信息，从而使其中任何一个，而不是两个，都可以被接收和解码。

直到1979年在波多黎各举行的第20届IEEE计算机科学基础研讨会上，IBM公司托马斯-J-沃森研究中心的查尔斯·贝内特 ( Charles H. Bennett ) 和布拉萨德( Gilles Brassard ) 相遇，他们才发现如何纳入威斯勒 (Wiesner) 的发现。

1984年，在这项工作的基础上，贝内特和布拉萨德提出了一种安全通信的方法，现在被称为BB84。

1991年，阿图尔·埃克特 (Artur Ekert) 提议使用Bell的不等式来实现安全的密钥分配。Ekert的密钥分发协议，随后被多米尼克·梅耶斯(Dominic Mayers) 和安德鲁·姚 (Andrew Yao) 证明，提供与设备无关的量子密钥分发。

密码学是数据安全链中最 强大的环节。然而，有关各方不能假定加密密钥将无限期地保持安全。量子密码学有可能比经典密码学更长时间地加密数据。

使用经典密码学，科学家不能保证加密时间超过大约30年，但一些利益相关者可以使用更长的保护期。

有证据表明，量子密钥分配可以通过一个嘈杂的信道进行长距离的传输，并且是安全的。它可以从一个有噪声的量子方案还原成一个经典的无噪声方案。

这可以用经典的概率论来解决。通过实施量子中继器，这种在嘈杂的信道上拥有一致保护的过程可以实现。

量子中继器有能力以一种有效的方式解决量子通信错误。量子中继器，也就是量子计算机，可以作为片段驻扎在噪声信道上，以确保通信的安全性。

量子中继器通过净化信道的分段，然后再连接它们形成一条安全的通信线路。次量子中继器可以通过长距离的嘈杂信道提供有效的安全量。

量子密码学是一个一般学科，涵盖了广泛的密码学实践和协议。下面讨论一些最引人注目的应用和协议。

量子密码学最著名和最发达的应用是QKD，它是利用量子通信在两方（例如Alice和Bob）之间建立一个共享密钥的过程，而第三方（Eve）无法了解该密钥的任何信息，即使Eve可以窃听Alice和Bob之间的所有通信。如果Eve试图了解关于正在建立的密钥的信息，就会出现差异，导致Alice和Bob注意到。