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为什么要研究混沌保密通信（一）？: 热度 10 yuncai 2017-4-22 00:08; 优胜劣汰是大自然法则。所有生物都要保命。保命的方法有压迫、有恐吓，有弱肉强食，有虚张声势，当然还有欺骗——就是信息加密和解密。据传，古希腊的不知谁发明了一种加密棒，见下图，将纸条（那时用羊皮当纸）缠在一个木棒上再写字，收到纸条的人找一根相同直径的棒子，再缠绕一遍，就能还原信息了。但这种加密方法很容易解密。一旦知道了加密方法（棒子缠绕法），找些不同直径的棒子多试几遍就解密了。图 1. 加密棒图 2 阳陵虎符【秦】 2 30 0 多年前，中国的皇帝为了防止军队被人假传圣旨调动，用青铜或黄金做成一分为二的令牌（虎符）。图 2 为秦朝时的杨陵虎符。“甲兵之符，右在皇帝，左在阳陵”，要调动军队时，皇帝将右一半交给钦差拿去，带兵将帅用手中的左一半扣合，能完整吻合的，说明来的钦差大体是真的。但是 , 虎符也不保险。例如，《史记 • 魏公子列传第十七》就记载，公元前 257 年，也就是 2274 年前，魏无忌就偷了他哥哥魏国国王的虎符，夺取了魏国大将晋鄙的军队。不过，虎符包含的信息量太少，无法判断持虎符者带来的信息量（如调多少军队）。如大将军晋鄙尽管验明魏无忌带来的虎符没错，但觉得国家没有多大的事需要10万军队，“疑之，举手视公子（魏无忌）曰：今吾拥十万之众，屯于境上，国之重任，今单车来代之，何如哉？”弄得魏无忌没办法，只好让朱亥用四十斤的大铁锤敲死了晋鄙。两千多年前，罗马帝国的奠基者，凯撒大帝（ GaiusJulius Caesar ，图 3 ）在与法国打仗同时，也将自己的丰功伟绩写成《高卢战记》。在《高卢战记》第五卷里，凯撒用得意而隐晦的语言说自己派骑兵送一封给他的大将西塞罗，这封信即使被敌人截住也看不懂。敌人看不懂是因为凯撒发明了将字母置换的凯撒密码（见图 5 ）：每个字母按顺序都用其他的字母表示，如用 D 表示 A ，用 E 表示 B… ，这样，单词“ by ”就写成“ eb ” 。图 3 凯撒大帝图 4 凯撒著《高卢战记》，任炳湘译图 5 凯撒密码的字母置换示意图图 6 字母置换装置这种所有字母都按一个规律置换的加密方法过于简单，很容易通过分析字母出现的频率来破解。美国人 Herbert Spencer Zim(1909–1994) 写过许多关于大自然的书，特别是还写过一本《 Codes and Secret Writing 》（密码和隐写术）。在这本书里，他说：英文字母出现的频率是不同的，频率最高的是字母 E ，频率最低的是字母 Z ，大体的顺序为 E、T、A、O、N、……、Z ；最常见的字母对是 TH 、 HE 、 AN 等等，最常见的重叠字母是 LL 、 EE 、 SS…… 。这样，通过字母出现的频率就大体可以判断出你用哪个字母替换了字母 E 。图 7 Herbert Spencer Zim 图 8 《 Codes and Secret Writing 》一书 200 年前，美国第三任总统，《独立宣言》的起草者托马斯·杰弗逊发明了一种基于圆盘的多表替换加密，被称之为杰弗逊圆盘 (Jefferson disk) 。图9 两美元上面的杰斐逊总统头像图10 杰弗逊圆盘杰弗逊圆盘有 36 片转轮，每片转轮的圆周边缘上刻有乱序的 26 个英文字母。使用时，发送者依次转动各片转轮，在同一行上呈现出要发送的信息，这时转轮上其他 25 行都是乱码。把任意一行乱码抄下来交给信使送到己方，己方只需转动同样的装置，让其中的一行显示出同样的乱码，那么其他 25 行上必然有一行是发送的信息（明文）。杰弗逊圆盘后来演变成美军的 M-94 圆柱形密码设备，该设备共有 25 个直径为 35mm 的铝制圆盘，外缘上刻有字母。该与打字机和电子设备相结合，一直用到二战时期。但这种加密方式，在有了计算机以后，解密就是分分秒秒的事了。图 11 美军 M-94 密码设备同样在 200 年前，山西商人也发明了一种用汉字代表数字的加密方法（票号密押），使得异地存取款成为可能，也使得钱庄升级为票号。图 10 是日昇昌票号的密码本，看上去像是员工的工作守则，但实际上一个字代表一个数字，如“谨防假票冒取，勿忘细视书章”， 12 个字代表每年的 12 个月；“勘笑世情薄，天道最公平，昧心图自利，阴谋害他人，善恶总有报，到头必分明”，这 30 个字表示每月的 30 天。“赵氏连城壁，由来天下传”则代表 1 至 10 ；“国宝流通”表示“万、仟、百、拾”。当然，这种密押需要经常更换，才能维护其安全性。据说日升昌的密押更换过 300 余套，关键是：你就用这些字代表月、日和单位，别人也太好猜出来了——如果知道密押的话。图 12 日昇昌的票号密押图 13 日昇昌旧址 100 年前，德国人谢尔比乌斯 (ArthurScherbius) 发明出一种密码机，这个密码机不仅有个好名字：“谜”（Enigma，网上多直译为恩尼格玛），而且名副其实，“谜”在二次大战中为盟国带来巨大损失。图 14 谢尔比乌斯 (1878.10.30–1929.5.13) 图 15 Enigma 密码机 “ 谜” 密码机一共有 26 个字母键，通过连接板及转盘，与键盘上方标示了 26 个字母的灯泡（就是显示器）相通。“谜”之所以难破之谜，是因为它有 3 个或4 个转盘，当每按下键盘上的一个键时，转盘就自动转动一个位置。如，每次键入字母 A ，每次显示的字母都不一样（可能是 D，也可能是 E … ），实现了同一个字母可以被不同的字母替换（这种方法被专家称之为复试变换，而不再像杰斐逊转盘，总用一个字母固定地替代另一个字母）。这样，字母频率分析法在这里就毫无用武之地了。用“谜”密码机通讯时，收发双方预先约定三个转盘的方向，依次键入信息，把显示器上灯泡闪亮的字母依次记下来，再把记录下的字母用电报发出去。收信方收到电文后，用一台转盘转动顺序相同的密码机，依次键入收到的信号，显示器上自动显示出真是的信息来。若对转盘和连接板初始的设定毫不知情，想暴力破解“谜”密码机加密的电报，就要尝试数以亿亿次的组合，手工破解是不可能了。因此，德军在装备“谜”密码机前的可行性评估中曾自信地写道：“即使敌人获取了一台同样的机器，它仍旧能够保证电文的保密性。” 但，加密与解密永远是一种矛盾：现实世界中，没有无法破解的加密技术；而解密的成功又推动着加密技术的发展。; 个人分类: 论文|22549 次阅读|11 个评论

[转载]量子卫星与保密通信: Fangjinqin 2016-8-27 15:40; 作者：彭训文来源：人民日报海外版发布时间：2016/8/27 9:43:19 选择字号：小中大人民日报：量子卫星与保密通信来源：新华网量子科学实验卫星总设计师朱振才（右四）、副总设计师周依林（左四）与工作人员在量子卫星旁合影留念。在量子保密通信上海总控中心内，量子科学实验卫星科学家演示实用化量子通信产品进行远距离保密通话。日前，中国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”（以下简称量子卫星），将在世界上首次实验卫星和地面之间的量子保密通信。量子是一个能量的最小单位。我们看到的光，就是由数以万亿计的光量子组成的。利用被称为物理世界百岁“幽灵”的量子理论，未来通信将能实现绝对安全。量子卫星的成功发射，将推动中国在量子太空国际竞赛中掌握主动权。也有人质疑，量子信息基础研发成本高昂，目前实用性非常小，值得如此高投入吗？量子像“上帝掷骰子” 现在，如果我给你发一封邮件或信息，最常用的办法是打电话、发短信、写信或者用互联网，这些方法都可能被别人探知。有没有一种方法，传一封密信，只让天知地知、你知我知？答案是，有。此次发射的量子卫星，就是为了将来至少在硬件上做成这件事。不过，要说清楚量子卫星，首先需要了解什么是量子和量子理论。何谓量子？量子是构成物质的最基本单元，是一个能量的最小单位，不可分割。我们熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。从某种意义上来说，世界本身就是由量子组成的。以光为例，它由一个个“光量子”组成，一个“光量子”的能量就是光能量变化的最小单位（因为墨子进行了著名的小孔成像实验，此次量子卫星以他的名字命名，以纪念他在早期物理光学方面的成就）。我们换个说法来解释。如果把能量等物理量一份份往下分，分到无法再分的小块儿为止，这个小块就是量子。比如，氢原子中电子的能量只能取一个基本值：-13.6电子伏特或者其 1/4、1/9、1/16、1/25 等。这些基本值就好比一个个台阶，我们一般只能上一个台阶，而不能上半个。这些“台阶”可以看做量子。量子理论和我们熟知的经典力学的根本区别在于确定性问题。一般来说，经典力学世界里的物体状态是确定的。比如一只猫，或者是死，或者是活，但不能同时处于死和活的状态。但是，量子的状态不是确定的。一只量子的猫，可以是死的，也是活的，甚至可以处在“死”和“活”的叠加状态上。那么，这些状态不定的量子叠加会发生什么呢？这就是量子力学的另一个基本原理——量子纠缠。如果两个量子处在特殊状态中，不管空间分布有多远，当对其中一个粒子施行操作或测量，远处的另一个粒子状态会瞬时地发生相应变化，就像双胞胎心灵感应一样。爱因斯坦将这种“幽灵般的超距作用”称为“上帝掷骰子”（不过，爱因斯坦坚称“上帝不会掷骰子”），这两颗骰子无论相距多远，掷出来的结果始终是一样的。量子理论的这种特性，最直接的一个应用就是量子保密通信。通俗说法是，一个人想要把秘密传给另外一个人，需要把存放秘密的箱子和钥匙一起传给对方。接收方只有用这把钥匙打开箱子，才能取到秘密。一旦这把钥匙被别人动过，由于量子不可克隆也不可分割，其状态会立刻改变，传送者马上就能发现，原有的钥匙作废；传递者会再给一把新钥匙，直到接收方拿到为止。卫星肩负3大实验任务然而，要实现量子通信，主要困难是量子在长距离传输过程中会出现信号损耗。世界上现今一个比较公认的路线图是，先利用光纤在城市内构建一个网络，然后利用中继器连接各个城市，再通过卫星的中转实现远距离量子通信。经过潘建伟等中国科学家近20年的技术积累和实践，目前，城市之间的量子通信网已经进入冲刺阶段。合肥示范网46个、济南90多个节点已顺利建成并开始测试，北京、上海城域量子通信网已基本建成，整个“京沪干线”将于今年下半年开通。专家预计，2025—2030年，覆盖全国的量子通信网络有望建成。实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信，这需要卫星中转，量子卫星应运而生。更重要的意义是，量子理论虽然诞生百年，但是其奇妙特性从未在太空验证过。在未来两年时间里，科学家们将依靠量子卫星，进行3大类实验任务。量子卫星首席科学家潘建伟院士表示，第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发，即验证天地之间能否进行量子通信，如果中国南山、德令哈、兴隆、丽江4个地面站任何两两之间都可以实现量子秘钥分发，未来就可以实现星地组网；第二类相当于在太空实验量子理论是否可行；第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输，也就是将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点而不用传送粒子本身。最新的进展是，8月17日11时56分24秒，密云站在第23圈次成功跟踪、接收到量子卫星的首轨数据。量子卫星首轨任务时长约7分钟，接收数据量约202MB。经验证，卫星数据质量良好。潘建伟说，如果此次量子卫星的效果达到预期，下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。“单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，目前的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。”到2030年左右，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。技术进步将会降低成本 “如果经过证明，这条卫星发射的技术路线正确，国外团队就都会开始从太空来开展量子实验，这将推动整个学科的发展，这就是中国的引领作用。”潘建伟说。中国已经成为新一轮量子通信研究的引领者。据潘建伟透露，中国科学院已经与奥地利科学院签署合作协议，共同致力于在量子科学实验卫星框架中合作开展洲际量子通信实验，之后将和更多国家合作开展量子信息技术方面的研究。继量子卫星之后，潘建伟团队还计划开展空间站“量子调控与光传输研究”项目，研究星间量子通信技术等，同时进行量子密钥组网应用等研究，为下一步卫星组网奠定技术基础。不过，要实现全球化的量子通信，需要几十颗价格不菲的量子卫星组网。有人质疑，量子信息基础研发成本高昂，目前技术还不够成熟，实用性非常小，值得如此高投入吗？面对质疑，潘建伟并不否认成本高昂，但他相信这是阶段性难题。“随着技术进步，很多成本都会降下来。光纤刚问世的时候只能造几十厘米，当时没人能想到，几十年后我们的地下会建成这么完备的光纤网络。” 有报道认为，中国会根据量子卫星实验的实际进展，量力而行，同时不排除进行相关国际合作的可能。按照潘建伟的说法，正如互联网技术的爆炸式发展，量子信息技术同样是革命性的。他相信，由于高安全性优势，量子通信技术将在金融机构、国防政务、大数据中心大展身手，并有望在人们的安全支付、手机通信中得到应用。“在这个过程中，相关技术创新将会大幅降低成本。”潘建伟说。本文图片均为新华社记者才扬摄更多阅读《科学新闻》特刊：量子星照耀中国空间科学之路对话潘建伟：欢迎基于科学实验的严肃质疑卫星上天量子通信打开千亿级新产业空间 “墨子号”正进行卫星平台测试工作人民日报：量子通信，中国领跑中国遥感卫星地面站成功接收“墨子号”数据我国量子科学卫星地面望远镜系统实现多项突破; 个人分类: 科普文章|1696 次阅读|0 个评论

基于量子纠缠的保密通信确实妙!但并非无懈可击: 热度 7 lwg 2016-3-16 12:50; 基于量子纠缠的保密通信确实妙!但并非无懈可击近期,围绕量子保密通信这个话题,在科学网这个平台上,和徐令予老师、李红雨老师、sisuo先生等进行了严肃认真的研讨，收益良多——使个人对基于量子纠缠的保密通信的技术原理，经历了一个螺旋式上升的过程；在此，对所有抱着探求真理态度、参与思辨、贡献正确或不正确意见，给维纲以启发和帮助的老师们，致以衷心的感谢！经过严肃认真的思辨，我目前的认识是：基于量子纠缠的保密通信确实妙!但并非无懈可击。 1 ）先言基于量子纠缠的保密通信之妙：　　将a-a*，b-b*，……等一系列纠缠光子对分发给需要保密通信的双方爱丽丝（A），和鲍勃（B）；妙处是：分发纠缠光子序列时，连分发者都不需要知道每一对纠缠光子的自旋量子态，仅仅保证——每一对纠缠光子的自旋量子态是一致的！于是，如果技术上不能对单光子之自旋量子态做无损检测，只能做有损检测（吸收了一个光子的能量后，才知道其自旋量子态）；那么，从原理上讲，我们就的确可以接近实现“不可监听、破译”之量子保密通信这个目标！其具体做法是：发送方爱丽丝（A）检测到达之光子序列中每一个光子的自旋量子态（即，a,b,c,d,e，…，共N个光子的自旋量子态，可以得到一个长度为N的0/1序列）；接收方鲍勃（B）检测到达之光子序列中每一个光子的自旋量子态（即，a*,b*,c*,d*,e*，…，共N个光子的自旋量子态，也可以得到一个长度为N的0/1序列）；由于吸收了一个光子的能量后，才知道其自旋量子态，分发纠缠光子对的那个第三方都无法知道上述利用双光子纠缠，被爱丽丝（A）和鲍勃（B）掌握的那个、可以直接作为密钥使用（或者，通过公开信道，由爱丽丝（A）告诉鲍勃（B），将那个长度为N之0/1序列中的某段子序列作为密钥使用）的 0/1序列；接近实现“不可监听、破译”的量子保密通信这个目标。 2 ）再谈上述貌似完美之量子保密通信的漏洞：　　第一个漏洞是：为爱丽丝（A）和鲍勃（B）提供纠缠双光子服务的第三方（C），可以每次制造纠缠的三光子，将其中两个分发给爱丽丝（A）和鲍勃（B），将另一个留给自己；这样，至少第三方（C）可以知道爱丽丝（A）和鲍勃（B）通信的秘密；　　第二个漏洞是：第四方（D），在纠缠光子分发光路上，增设受激辐射装置，利用受激辐射产生的光子和入射光子具有相同自旋量子态的物理规律，复制、扩增出多个和入射光子具有相同自旋量子态的光子；发起对爱丽丝（A）和鲍勃（B）之间基于双光子纠缠之量子保密通信的受激辐射攻击，实现不被察觉的监听、破译。（具体道理是：李维纲 2016-3-16 00:34 @ sisuo ：一对纠缠光子 A,B. 在未测量前，它们都处于左旋 + 右旋的叠加态，也就是既是左旋，也是右旋的叠加态 . 假如您用受激辐射的方法将其中一个（无论 A,B) 复制出光子 C, 那此光子也是处于左旋 + 右旋的叠加态 . 如果您对 C 进行测量，发现它是左旋（或右旋），但 A,B 仍然是左旋 + 右旋的叠加态，就是说，测量 C 对 A,B 没任何影响， A,B 的手证还是个未知数，也就是说， C 的测量结果没任何意义，复制没有任何意义，测量 C 跟测量任何一个毫不相干的其他光子没有任何区别。 ------------------------------------------------------------ 您虽然自称小白，但我感到，白老师其实是高手。多谢赐教。不过复制得到 c ，类似复制得到了 20 只不死不活的猫！当测定 c 的自旋量子态之前，我们虽然不知道其究竟是死是活？但是，我们根据受激辐射规律，却知道其自旋量子态和被复制光子的自旋量子态是一致的（否则，就违反了相关物理定律；好比是，我们确知 21 只猫中有一只是死猫时，其它那些猫，也必定是死猫一样；否则，就是连通器堵住了一样）。对吗？所以，当测知 c 的自旋量子态之后， a ， b 的自旋量子态也必定要塌缩为和 c 一致的状态，才符合已知的量子力学规律。对吗？）虽然，第一个漏洞似乎可以凭借选好值得信赖的第三方来将泄密的实际风险大大降低；但是，仍然难以杜绝敌方侵入正常的纠缠双光子分发光路，将自己制造的纠缠三光子中两个分发给爱丽丝（A）和鲍勃（B），以欺骗的方式，获得通信秘密。第二个漏洞更加致命，恕不赘评。; 3323 次阅读|77 个评论

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