经典密码学与量子密码学的区别


经典密码学

经典密码学采用多种数学方法来防止窃听者获知加密传输的内容。下面列出其中最常用和最广泛接受的方法。在本文中,发送方被称为“爱丽丝”,接收方被称为“鲍勃”,窃听者被称为“伊芙”。

量子密码学

这是一种利用“量子力学”的密码学。创建量子通道需要在发送端和接收端都使用*偏振滤光片*。因此,在发送端,我们可以发送具有特定偏振的信号,在接收端,我们可以测量光子的偏振。

有两种类型的偏振滤光片:*直线型*和*对角型*。直线型滤光片具有水平和垂直的光子方向,而对角型滤光片具有45度和135度光子方向。垂直排列的方解石晶体和两个检测器(例如光电倍增管)可以检测这两个方向。

  • 首先,爱丽丝创建并发送一系列具有随机偏振(0、45、90或135度)的光子给鲍勃。

  • 鲍勃接收光子,并随机选择测量其直线型或对角型偏振。

  • 之后,鲍勃宣布他进行的测量类型(直线型或对角型),但不会公布每个光子的测量结果。

  • 爱丽丝直接告诉他是否正确测量了每个光子。

  • 然后,爱丽丝和鲍勃拒绝鲍勃进行错误测量或他的探测器未能检测到光子的任何情况。

量子密码学与经典密码学对比

我们将从以下四个方面比较量子密码学和经典密码学:

  • 主要维度

  • 商业维度

  • 应用维度

  • 技术维度

主要维度

原则上,任何传统的私人信道都可以很容易地被秘密监视,而发送方或接收方都不会察觉到窃听行为。

经典物理学是宏观实体和现象(如无线电波)的理论,它允许测量物体的物理特性而不干扰其他特性。密码密钥信息包含在特定物体或信号的可计算物理特性中。因此,在经典密码学中,被动窃听是真实存在的可能性。

量子理论是量子密码学的基础,被认为支配着所有物体,但其影响在单个原子或亚原子粒子(如微观系统)中最为明显。

  • 在经典密码学中,由于处理能力每18个月翻一番,计算成本随着时间的推移迅速下降[摩尔定律],因此通常需要更大的密钥。因此,基于k比特密钥的安全方法将来可能会变得不安全,需要不断更新。

  • 另一方面,量子密码学的安全性基于量子物理学的根本规律,因此未来需求发生重大变化的可能性极小。

商业维度

目前已经存在量子密码学的商业解决方案;但是,它们仅适用于点对点连接。另一方面,西门子和格拉茨技术大学开发的一种加密芯片允许构建具有多个成员的网络,但是每台设备10万欧元的成本使得该系统价格过高且劳动密集。

传统密码学几乎可以免费地通过软件实现。此外,基于经典密码学的密码系统可以实现在诸如智能卡之类的微型硬件组件上,但在量子密码学的情况下,缩小到这种程度需要大量的研究。

应用维度

数字签名向接收者证明数字数据的有效性。数字签名确保通信是由已知的发送者创建的,并且在传输过程中未被篡改。密钥生成、签名和密钥验证是三个主要算法。但是,我们都知道,在量子密码学中难以实现这些算法。

因此,量子密码学缺乏一些关键功能,例如数字签名、认证邮件等。

技术维度

中国科学家实现了世界最长距离的量子通信传输,也被称为“瞬时物质传输技术”。中科大和清华大学合肥国家实验室的研究人员利用自由空间量子通信实验,成功地将通信距离提高到10公里。然而,传统密码学可以用于数百万公里的长距离通信。根据最新的研究,东芝已经实现了量子密钥分发的新的记录比特率,平均为1 Mbit/s。另一方面,经典密码学的比特率很大程度上取决于处理能力。

结论

量子密码学是基于量子力学和信息论原理的结合。QC安全标准基于经典信息论原理和海森堡不确定性原理。

实验表明,密钥可以在短距离低比特率下传输。它与传统的秘密密钥密码方法结合使用,可以显著提高数据传输的安全性。很明显,即使一些问题仍然没有解决,量子密码学也比经典密码学具有明显的优势。

更新于:2021年11月5日

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