为什么一次一密方案是无条件安全 密码的

《理论月刊》思政核心期刊征稿
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理论月刊论文范文
本文引用《》
 摘要:量子通信是经典通信和量子力学结合的一门交叉学科。文章综述了量子通信的基本原理、方法与应用;介绍了量子通信技术近年来取得的应用,并对未来发展作了展望。
关键词:量子通信;BB84协议量子密码
在信息时代,网络安全是一个严峻的问题。信息安全已经得到了各国政府的高度重视,一方面要保护自己的安全,另一方面要攻击对方,信息保护的升级刻不容缓。
1现代密码学
现代密码学的基本思想是发送方使用加密算法和密钥,将要保密的信息变成数字发送给接收方。密钥是随机数0、1,将其与要传送的数字明文放在一起,用加密算法把它们变成密文,密文就是传送的信息。接收方使用事先定好的相应的解密算法,反变换将明文提取出。
密码体制分为两类:一类叫对称密钥(非公开密钥),它的加密密钥和解密密钥相同,通信双方需要事先共享相同的密钥,关键在于如何安全地传递密钥。其中有一种一次一密(onetimepad)的密码,用与明文等长的二进制密钥与明文异或得密文,并且每个密钥使用一次就销毁,根据香农的证明一次一密是无法破译的。
另一类叫非对称密钥(公开密钥),加密密钥和解密密钥不相同,加密密钥公开,发送者发送密钥与明文混合之后的密文,接受者使用不相同的密钥解出密文。从公开的加密密钥推导出解密密钥需要耗费极巨大的资源,虽然原则上可破解,但实际做不到,所以,在当今社会受到广泛使用。
一旦量子计算机研制成功,它可以更快速的破解数学难题,公开密钥就面临了严峻挑战。
无论采用哪种方法,都无法避免&截取-重发&的威胁。为了应对强大的量子计算机,需要无条件安全的一次一密的加密方案;但必须解决密钥分配的安全性,可以借助于量子信息作为密钥传输的工具。一次一密不可破译加上密钥传输不可以窃听,从理论上就可以做一个&绝对安全&的量子保密通信。
量子密码是利用信息载体(例如光子等粒子)的量子特性,以量子态作为符号描述的密码,它的安全性是由量子力学的物理原理保障的。
①测量塌缩理论:除非该量子态本身即为测量算符的本征态,否则对量子态进行测量会导致&波包塌缩&,即测量将会改变最初的量子态。②不确定原理:不能同时精准测量两个非对易物理量。③不可克隆原理:无法对一个未知的量子态进行精确的复制。④单个光子不可再分:不存在半个光子。
量子通信,广义是指量子态从一个地方传送到另一个地方,内容包括量子隐形传态、量子纠缠交换、量子密钥分配;狭义上是指量子密钥分配或基于量子密钥分配的密码通信。本文讲述的是狭义的量子通信。
3.1单光子的偏振态
本文介绍采用BB84协议实现的量子通信,在发送者和接收者之间用单光子的偏振态作为信息的载体。有两种模式:一个是直线模式,光子偏振态的偏振方向是垂直或者水平,如图1所示;一个是斜线(对角)模式,光子偏振态的偏振方向与垂直线称45?{角,如图2所示。
3.2基于BB84协议下的&制备-测量&
依照惯例,密码学家称发送者为Alice,接收者为Bob。Alice随机用直线模式或对角模式发出光子,并记录下不同的指向。Bob也随机决定用两种模式之一测量接收到的光子,同时记下采用检偏器的模式和测量结果值。传送结束后,Alice与Bob联络,Bob告诉Alice他分别采用哪种模式测量,然后Alice会告诉Bob哪些模式是错误的,这一过程无须保密。之后他们会删除使用错误模式测量的光子,而正确模式测量出的光子按照统一规定变成0、1码后,就成为量子密钥。
3.3发生窃听
根据&海森堡测不准原理&,任何测量都无法穷尽量子的所有信息。因此,窃听者想要复制一个完全相同的光子是根本不可能的事情。同时,任何截获或测量量子密钥的操作都会改变量子状态,窃听者只得到无意义的信息,而信息合法接受者也可以从量子态的改变,知道存在窃听者。
密码学家通常称窃听者为Eve,同Bob一样只能随机选择一种测量模式,当她采用错误的测量方式对某一光子测量时,由于波包塌缩,光子的偏振态会改变。比如,Eve使用对角模式测量直线模式下的光子态,光子态会塌缩为对角模式。之后即使Bob选择了正确的测量模式测量该光子,Bob可能会得到不符合编码信息的测量结果,这就产生了误差,具体通信过程如图3所示。
Eve窃听一个光子采用错误测量模式的概率是50%;采用错误模式时,信息可能变成0,也可能变成1,他有25%的概率被发现。但密钥并非一个光子组成,光子数越多被发现的概率就会越高。当误码率低于阈值,就可以称这个密码是安全的;当误码率超过阈值,就称密码被窃听,重新再制备新的密钥,一直检查到密钥在建立过程中没有窃听者存在,接下来进行一次一密的传送。通过这种方式能保证密钥本身安全,并且加密密文不可破译,这就是量子通信的安全性所在。
3.4量子信道与经典信道
发送方通过量子信道传送量子态光子,接收方用两种不同类型的检偏器测量,检测出0、1组成的量子密钥,还需要一个经典信道。因为是采用一次一密方式,所以经典信道需要定时传送同步信号。
4量子通信现状
由于量子通信技术的各种优势,国际上的一些国家,特别是美国、日本、欧盟都投入了大量的人力物力,进行量子通信的理论与实验研究。2002年美国BBN公司,哈佛大学和波士顿大学开始联合建造DARPA网络。2010年日本在三个政府机构之间使用量子密钥分配技术,并与2010年10月在东京演示了一个城域量子保密通信网。2010年西班牙马德里建成欧盟第一个城域QKD网络。我国也在量子通信技术的道路上不断发展。2012年&金融信息量子通信验证网&是世界首次利用量子通信网络实现金融信息的传输。2012年党的&十八大&期间在部分核心部位部署量子通信系统。2013年量子保密通信&京沪干线&正式立项,打造广域量子通信网络。[!--empirenews.page--]
量子通信还有一些技术难题未攻破,例如信道的干扰,设备的非理想特性,身份验证、密钥存储等技术需要进一步改良等等。虽然理想情况量子密码不可破,但在实际中还有一些漏洞需要考虑。在未来几年,相信我国在中央、地方政府及相关部门大力支持下,通过相关科研团队的努力,量子通信技术会不断完善,量子通信产业也必将取得飞速发展。
参考文献:
[1]宗禾.量子通信为何能保密[N].科技金融时报,.
[2]徐启建,金鑫,徐晓帆.量子通信技术发展现状及应用前景分析[J].中国电子科技研究院学报,2009,(5).
[3]李林洋,卢晓波,潘岳.量子通信的发展概况[J].工业设计,2011,(4).
[4]苏晓琴,郭光灿.量子通信与量子计算[J].量子电子学报,2004,(6).
[5]薛鹏,郭光灿.量子通信[J].物理,2002,(6).
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量子通信技术作为一种绝对安全的通信方式,可以从根本上解决国防、、政务、商业等领域的问题。信息安全隐忧分为:一是窃听手段,包括终端、核心网络、传输线路;二是破译。解决方法:安全通信=安全加密技术+安全密钥分发技术。量子测不准原理+量子不可被复制原理+一次一密的密钥交换体系(密钥随机产生,明文、密钥和密文的长度一样)——窃听就会被发现,量子保密实现无条件安全,理论上已经被证明。我国目前信息安全形势严峻,急需加大此领域的投入,国家层面政策持续向自主领域倾斜。
量子通信产业化应用在即。目前确切来说是量子保密通信方案+应用已经具备产业化条件。在2015阿里云栖大会上,阿里云与中科院旗下国盾量子联合发布了量子加密通信产品。据悉,明年世界首条千公里量子通信保密干线将在北京和上海之间建成,沿途城市都可以用量子保密方式安全传输政府公务信息和数据等。2016年我国还将发射首颗“量子科学实验卫星”,使量子通信网络最终能够覆盖全球。量子通信从上到下的结构:应用层——国防、政务、能源和金融;服务平台——数据平台、认证平台等等;基础设施——广域量子通信网络。
广域量子通信网络建设分三步走:(1)通过光纤——构建城域量子通信网络;(2)通过加中继器——构建城际网络;(3)通过卫星——实现洲际、星际网络。计划在2016年实现首颗卫星发射成功后,发射多颗卫星,到2020年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发, 届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右,则将建成全球化的广域量子通信网络。
投资建议:我们看好量子通信产业链发展前景,在国家信息安全的战略背景下,预计国家层面政策持续向自主领域倾斜。根据我们对产业调研的情况判断,量子通信进入产业拐点。我们建议相关产业链标的重点关注:、、、、、、等。同时关注产业内重点非科大国盾量子技术股份有限公司(原安徽量通更名)、安徽问天量子科技有限公司。
风险提示:量子通信产业化应用低于预期
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说明:双击或选中下面任意单词,将显示该词的音标、读音、翻译等;选中中文或多个词,将显示翻译。
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-> 一次一密
1)&&one-time pad
An expanding key space method was proposed, which was based on 3 principles of the Shannon’s idea “one-time pad”, “infinite key space” and a chaotic system could make out of a determinate random number generator.
这种方法基于三条原理:Shannon的“一次一密”,“无限密钥空间”及混沌映射系统可构造一个确定性的随机数发生器。
On the basis of chaos map,a theory of block ciphers key space expand combined with the idea of "one-time pad" by shanon is constituted.
介绍一个混沌二值序列产生和实验的软件平台,利用3种混沌动力学模型,即一阶时延模型、Logistic模型和Lorenz模型产生加密序列,并结合Shanon的"一次一密"思想,建立一种基于混沌映射的"分组密码密钥空间拓展"理论,很好地解决DES加密算法密钥空间小的问题,实现了一种混沌的DES变形密码算法。
We have improved the security mechanism of WEP in wireless LAN and implemented the algorithm of one-time pad at less cost.
对无线局域网(wirelessLAN)中的有线等效保密(WEP)机制进行了改进,以较小的代价实现了一次一密。
2)&&one-time-pad
This encryption scheme is one-time-pad as only as the same initial markings are not be used more than once whenever.
只要每次加密时选用不同的初始标识,这种密码系统是一次一密的。
The new Hill cryptosystem has the effect of one-time-pad.
改进后的Hill密码体制具有数字签名功能,能够达到一次一密的效果。
Based on the XTR4 cryptosystem,the key exchange protocol,communication protocol of provable security,and one-time-pad protocol were proposed,which could be employed in variant environments to assure the security,as well .
提出XTR4体制上的密钥交换协议,可证明安全性保密通信协议,一次一密协议,可以应用于多种环境,既能保证安全性,又能显著地提高运算效率。
3)&&one-time key
4)&&one-time system
一次一密体制
As Shannon had proved that one-time system is perfect secrecy,one-time system is deemed to be un- breakable.
由于仙农证明一次一密具有完善保密性,一次一密体制一直以来被认为是不可攻破的。
This paper analyses the mistakes in Shannon s attestation to prove that one-time system is per- fect security.
从多个角度分析了仙农在证明一次一密体制完善保密过程中一些错误,指出了其中对Bayes定理的错误利用,错误在于把不同的前提条件下的概率混淆代入了Bayes定理的等式中,并且通过举例证实了错误。
The paper analyzed security of one-time system and makes the conclusion that it was not as secure as it was reckoned.
分析了一次一密体制和量子密码的安全性,提出了一次一密体制并非以前所认为的无条件安全,仍然存在不安全的可能。
5)&&quantum one-time pad
量子一次一密
An efficient quantum signature protocol of classical messages which was based on quantum one-time pad and quantum key distribution was presented.
基于量子一次一密和量子密钥分配,提出了一种针对经典消息的高效量子签名协议。
6)&&pipeline VLSI
一次一密乱码本
补充资料:三密──佛三密
【三密──佛三密】  ﹝出大智度论﹞  密即秘密。谓如来身口意三业,或现通,或说法,或思惟,皆非诸菩萨等之所思议,故名三密。  [一、身密],谓如来处大会中,众见佛身,或黄金色,或白银色,或杂宝色,或长丈六,或长一里十里,乃至现大神变,皆不可思议,故名身密。  [二、语密],语密即口密也。谓佛说法之时,或一里外闻佛音声,或十里、或百千万里外闻佛音声。又一会中,或闻说布施,或闻说持戒等,各各随心所闻,皆不可思议,故名语密。  [三、意密],谓佛常处寂定,凡所思惟观察,皆不可思议,故名意密。
说明:补充资料仅用于学习参考,请勿用于其它任何用途。One-Time Pad
历史数据不敷以充塞的证明这一属性,就像香农证明了one-time pad(一次一密)是完全安然严肃的,可是一次一用的安然严肃套未必安然严肃。
基于73个网页-
DUKPT(一次一密),主/过程密钥 和固定密钥管理方式
基于31个网页-
one time padding
) 一次一密(one time padding): o指在流密码当中使用与消息长度等长的随机密钥, 密钥本身只使用一次。
基于6个网页-
one-time-pad
基于3个网页-
one-time system
quantum one-time pad
pipeline VLSI
one-time pad
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one-time pad
- 引用次数:31
In the research of the application of CML to cryptography, CML is used to build a block cipher based on one-time pad technique.
在时空混沌用于构建密码系统的工作中,我们利用耦合映象格子模型构建了一个基于一次一密乱码本的分组密码。
参考来源 -
one-time key
- 引用次数:2
参考来源 - 分布式环境下个性化KDC代理的设计与实现
one-time pad
- 引用次数:9
The one-time pad telecommand secret system designed in this paper is such a perfect secret system.
本文设计的一次一密系统正是这样的完善保密系统。
参考来源 - 测控信号的加密处理硬件实现
once encipherment
- 引用次数:6
参考来源 -
one-time-pad
- 引用次数:3
参考来源 - 基于RSA和Hill密码体系的文件加密系统的研究和实现
once a key
- 引用次数:2
参考来源 - 基于动态搜索的数字混沌加密算法研究
&2,447,543篇论文数据,部分数据来源于
同时指出一次一密体制依然具有很好的安全特性。
Other good security characteristic of one-time pad is pointed out at the same time.
密钥管理和密码同步是一次一密系统应用于实际的两个关键难题。
Key management and key synchronization are two important problem for realizing an one-time pad system.
按密码学术语来说,一次性序列与 “一次一密” 相似,这是已知最安全的加密方法。
In cryptography terms, this concept is similar to "one-time pads", the most secure encryption method known.
一次一密(one time padding)指在流密码当中使用与消息长度等长的随机密钥, 密钥本身只使用一次。 具体而言,首先选择一个随机位串作为密钥,然后将明文转变成一个位串,比如使用明文的ASCII表示法。最后,逐位计算这两个串的异或值,结果得到的密文不可能被破解,因为即使有了足够数量的密文样本,每个字符的出现概率都是相等的,每任意个字母组合出现的概率也是相等的。这种方法被称为“一次一密” 缺陷与优点 优点:由于使用与消息等长的随机密钥, 产生与原文没有任何统计关系的随机输出,因此一次一密方案不可破解。 缺陷:密钥在传递和分发上存在很大困难。 一种解决方案 使用公钥交换算法如RSA,ECC等方式的Diffie-Hellman进行密钥交换, 但单个密钥字符的范围必须足够大以便防止字典攻击,该方案会降低一次一密的安全性。
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- 来自原声例句
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