浅析量子密码学与加密技术:更强大的安全系统

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编译:ChinaDeFi

量子密码学是目前使用的加密技术的下一个篇章。这部分加密起源于物理原理,涉及物理机制和计算能力。这种计算能力和量子机制被用来创建两个强大的安全系统,量子密钥分发和量子安全密码学。

我们将在本指南中详细介绍量子加密和密码学,我们还会通过此篇了解量子密码学是如何工作的,以及它在我们的世界中的应用是什么。

解释量子密码学

量子密码学将量子力学的原理应用于加密和密码学。当将量子机制集成到加密中后,由此产生的安全性非常严格,任何人都无法访问由该系统共享和保护的数据。

即使黑客能够访问量子计算机和整个套件,他们也无法破解这里提供的加密。这是因为量子加密利用了量子的多态和「不变理论」来保护信息。

毫无疑问,量子加密比我们至今使用的传统加密措施更好、更可靠、更可信。高级加密标准 (AES) 使数据几乎无法被破解,但它也并没有防的滴水不漏。

Alice 和 Bob 的出场(例子)

为了描述量子加密背后的工作原理,这里举出了一个案例示例,这将有助于使事情更清晰。假设 Alice 想给 Bob 发送一条消息。当她写入信息并通过偏振器使每一个光子偏振来改变其方向为特定类型。这可以是水平的、垂直的或对角线的。

这里的加密密钥是光子方向的变化。一旦收到,Bob 就会猜偏振器并解码信息。在这里,Bob 将猜测光子案例并将其与 Alice 生成的案例相匹配。

在本例中,假设有另一个人试图访问消息。在加密世界里,这个人通常被叫做 Eve。Eve 用自己的偏振器来获取信息。如果 Eve 使用偏振器来解码,Bob 和 Alice 会说这里存在差异,因为我们不能在不移动或改变光子的情况下改变它的属性。

有了这个后端原理,量子密码学就被开发出来,用作保护数据、交易、通信和信息的保护措施。

量子密码学的原理

量子密码学利用光子等单个光粒子进行数据传输。这些数据通过光纤传输。光子代表二进制位,因此安全性取决于量子力学的执行。

利用光子或光粒子是有效的,因为这些粒子可以同时存在于两个或多个地方。此外,如果不先改变量子性质,就不能改变或观察它,粒子也不能被复制。

有了这些方面,量子密码学能够提供最高形式的安全。有人可能会说,通过量子密码学共享的密钥是不可破解的,因为这里应用了光子的原理。

然而,我们看到了绕过该系统提供的安全性的一些可能性。但目前还没有任何证据或证明,即使有量子计算能力,破解量子密钥也不是一件容易的事。

让我们来了解一些关于光子的细节。在量子密码学中,每一个通过加密系统的光子都代表一个二进制代码。它可以是 0 或 1。

密钥表示由 1 和 0 组成的字符串,创建了一个连贯的消息,只有相关的两个实体可以使用该消息进行加密和解密。量子计算加密的工作方式与 AES 类似,但由于光子的特性,我们可以看到安全方面的巨大变化。

由光子转换而来的二进制位为光子提供了独特的自旋。它可以是垂直的、水平的、右对角线或左对角线。这为密钥提供了唯一的代码或加密属性。

海森堡的不确定性原理

这个原理说明我们不能测量或计算物体的位置和动量。这一原则不适用于宏观世界,因为宏观世界的微小变化常常被忽略。

但在量子世界中,即使是最微小的变化也会产生巨大的影响。因此,海森堡不确定性原理在量子计算和密码学中扮演着重要的角色。

为什么对量子密码学有需求?

你听说过「需要是发明之母」这句话吗?量子加密和密码学的起源也有类似的故事。随着量子计算的到来,现有的加密标准可能变得脆弱。

利用量子计算中的 Shor 算法,计算机就能打破非对称加密。普通计算机无法在 RSA 加密标准中找到用于找解密密钥的关键素数。但是量子计算机可以找到素数。因此,它可以破坏密钥。

AES 的 AES-64 位和 AES-128 位在量子计算机的「暴力」攻击下变得脆弱。虽然他们仍然没有被黑,但暴力攻击已经降低了其安全网的门槛。

这是在某种程度上将 AES-128 位减少到 AES-64 位,将 AES-256 位减少到 AES-128 位。当然 AES-128 位标准仍然可以保护信息,但我们可以说,量子计算机破解密码只是时间问题。

量子安全密码学和量子密钥分发 (QKD)

量子加密和密码学产生了两个概念:

量子安全密码学

量子安全密码学确定了密钥抵抗攻击的方法、努力和算法。它基本上确定了使任何数据免受日常生活中使用的经典计算机或量子计算机的黑客攻击的措施。

这里的重点是量子计算机,因为它们具有更高的计算能力和可能性。

量子安全密码学也被称为后量子密码学。目前,NIST 正致力于征求、评估和标准化抗量子公钥加密算法。一旦它们被批准并进行标准化,量子密码密钥就可以供公众使用。

现有的加密标准如 AES、ECC、RSA 等都是使用数学方程生成密文。但有了量子密码学,我们可以用物理和数学方程生成密文。

量子密钥分发

量子密钥分发 (QKD),涉及以光子形式通过光链路发送数据。其目的是确保对数据的保护和保障数据的安全,使用量子密码学生成的系统 QKD 就很容易提供这一点。

QKD 提供的更高形式的安全性源于这样一个事实:它可以很容易地检测到任何类型的入侵。这将提醒相关方或实体,丢弃用于数据传输的密钥。

QKD 是通信渠道中最常用的一种。我们可以从许多协议中进行选择来实现 QKD。但它需要一个量子通道和一个经过验证的经典通道。

量子通道以光子的形式发送光的状态,而经典通道是发送方和接收方的通道。

量子安全密码学「不可破解」吗?

在每一次关于量子加密和密码学的讨论中,量子力学定律都会冒出来。以光子的形式在两个实体之间来回发送加密密钥的活动在理论上是无法追踪的。

光纤线路是该系统的关键部件。我们已经讨论了所有的光纤线路以及它们如何使传输安全。然而,这里使用了另一种传输方式,即使用卫星交换密钥。

在基于卫星的方法中,纠缠原理就会发挥作用。

这里稍微离题一点,在纠缠中,两个粒子纠缠到一定程度,就会使它们达到相同的状态。一旦实现了这一点,其中一个粒子就会被送到其他人那里。当粒子在另一端被接收后,它被确保具有与其孪生粒子相似的状态。

如果其中一个粒子发生了变化,另一个粒子也会发生变化以进行匹配,这是一个不确定的事实。这是因为我们没有将纠缠用于通信目的。

因此,我们不能使用此属性进行通信,但可以使用它共享加密密钥,然后可以使用加密密钥保护通过传统通道进行的通信。

根据该系统所适用的设备、技术和系统,我们可以说,目前量子密码学是不可破解的。即使有了我们今天可以使用的量子计算系统,黑客通信、数据和传输实际上也是不可能的。

量子密码的利与弊

尽管量子加密和密码学有其优点,但也有一些缺点。

量子加密的优点

  • 通信是安全的:使用量子密码学,通信的安全级别高于传统加密标准。由于它基于量子物理定律,通信更加安全。
  • 多种安全方法:量子计算和物理学通过不同的方法提供所需的安全性。我们已经在上面的章节中讨论了纠缠和偏振器。但在未来,通过更多的研究和发展,可以衍生出更多的方法。
  • 检测:使用量子安全密码学,我们可以检测除被授权访问数据的两个实体之外的实体是否试图入侵。

量子密码学的局限性

即使是像量子密码学这样优秀的技术也有其局限性。

  • 受限于范围:由于纠缠系统的应用范围有限,我们只能依靠光缆来实现量子加密。这些电线只能铺设有限的距离。最长可达 500 公里。
  • 偏振变化:光子很容易发生偏振变化,即使在传输过程中也是如此。这可能会导致较高的错误率。
  • 昂贵的设备:不仅仅是光纤电缆,设置和安装量子密码系统所需的所有设备都非常昂贵。

 

结论

从帮助我们保护数据和在线通信安全的数学方程,到为了同样的目的而使用的物理学,我们已经进行了进化。随着量子计算和密码学允许企业、政府和组织进一步保护他们的数据,黑客将几乎不可能侵入系统。

即使有其局限性,量子加密和密码学也是高度安全和有用的。

在未来的一段时间里,我们可以看到加密技术的大规模实施。

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