世界上最安全的密码 真正的“独一无二”

世界上最安全的密码 真正的“独一无二”

　

　　在现有的各种以数学理论为基础的密码中，没有哪种是解不开的。而且，计算机技术的发展在使密码术更复杂的同时，也降低了破译密码的难度。不过，在量子理论支配的世界里，这一切将会完全改变。

最安全的密码是什么？

　　密码，最重要的作用无疑是保护信息和资料的安全。因此，密码的安全性是专家们一直追求的主要目标。

　　然而，在现有的各种密码中，没有哪种是解不开的。现在常用的标准加密方式是用一串随机数字对信息进行编码。比如，用数字串“5，1，19，20”来加密英文单词“east”（四个数字分别表示单词中四个字母在英文字母表中的位置）。这种加密方案有一个致命的缺陷——从数学上来讲，只要掌握了恰当的方法，任何密码都是可以被破译的。更糟糕的是，这种密码在被窃听破解时，不会留下任何痕迹，合法用户无法察觉，还会继续使用同一个地址储存重要信息，损失就会更大。

　　在量子理论支配的世界里，这一切将会完全改变。量子力学是随机性的取之不竭的源泉；而且，这种随机性非常特殊，无论多么聪明的窃听者，在破译密码时都会留下痕迹；最令人惊叹的是，量子密码甚至能在被窃听的同时自动改变！无疑，这是一种真正安全的、不可窃听不可破译的密码。

天才的发明

　　量子密码学的理论基础是量子力学，而以往密码学的理论基础是数学。与传统密码学不同，量子密码学利用物理学原理保护信息。首先想到将量子物理用于密码技术的是美国科学家威斯纳。威斯纳在“海森堡测不准原理”和“单量子不可复制定理”的基础上，逐渐建立了量子密码的概念。

　　威斯纳于1970年提出，可利用单量子不可复制的原理制造不可伪造的“电子钞票”。由于这个设想的实现需要长时间保存单量子态，这是不太现实的，因此，“电子钞票”的设想失败了。但是，单量子态虽然不好保存却可以用来传递信息，威斯纳的尝试为研究密码的科学家们提供了一种新的思路。

　　量子密码最基本的原理是“量子纠缠”——一个特殊的晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子。被爱因斯坦称为“神秘的远距离活动”的量子纠缠，是指粒子间即使相距遥远也是相互联结的。大多数量子密码通信利用的都是光子的偏振特性——这一对纠缠的光子一般有两个不同的偏振方向，就像计算机语言里的“0”和“1”。 根据量子力学原理，光子对中的光子的偏振方向是不确定的，只有当其中一个光子被测量或受到干扰，它才有明确的偏振方向，它代表“0”和“l”完全是随机的，但一旦它的偏振方向被确定，另外一个光子就被确定为与之相关的偏振方向。当两端的检测器使用相同的设定参数时，发送者和接收者就可以收到相同的偏振信息，也就是相同的随机数字串。 另外，量子力学认为粒子的基本属性存在于整个组合状态中，所以由纠缠光子产生的密码只有通过发送器和接收器才能阅读。窃听者很容易被检测到，因为他们在偷走其中一个光子时不可避免地要扰乱整个系统。

真正的“独一无二”

　　当前，量子密码研究的核心内容，是如何利用量子技术在量子通道上安全可靠地分配密钥。所谓“密钥”，在传统的密码术中就是指只有通信双方掌握的随机数字串。

　　量子密钥分配，其安全性由“海森堡测不准原理”及“单量子不可复制定理”保证。“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，它说明了观察者无法同时准确地测量待测物的“位置”与“动量”。“单量子不可复制定理”是海森堡测不准原理的推论，它指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态。根据这两个原理，即使量子密码不幸被电脑黑客撷取，也因为测量过程中会改变量子状态，黑客得到的会是毫无意义的数据。

　　我们可以这样描绘科学家们关于“量子密码”的设想：由电磁能产生的量子（如光子）可以充当为密码解码的一次性使用的“钥匙”。每个量子代表1比特含量的信息，量子的极化方式（波的运动方向）代表数字化信息的数码。量子一般能以四种方式极化，水平的和垂直的，而且互为一组；两条对角线的，也是互为一组。这样，每发送出一串量子，就代表一组数字化信息。而每次只送出一个量子，就可以有效地排除黑客窃取更多的解密“钥匙”的可能性。

　　假如，现在有一个窃密黑客开始向“量子密码”动手了，我们可以看到这样一场有趣的游戏：窃密黑客必须先用接收设施从发射出的一连串量子中“吸”去一个量子。这时，发射密码的一方就会发现发射出的量子流出现了空格。于是，窃密黑客为了填补这个空格，不得不再发射一个量子。但是，由于“量子密码”是利用量子的极化方式编排密码的，根据量子力学原理，同时检测出量子的四种极化方式是完全不可能的，窃密黑客不得不根据自己的猜测随便填补一个量子，这个量子由于极化方式的不同很快就会被发现。

密码术的发展

　　古希腊的斯巴达人将一条1厘米宽、20厘米左右长的羊皮带，以螺旋状绕在一根特定粗细的木棍上（见图），然后将要传递的信息沿木棍纵轴方向从左至右写在羊皮带上。写完一行，将木棍旋转90度，再从左至右写，直至写完。最后将羊皮带从木棒上解下展开，羊皮带上排列的字符即是一段密码。不用说，信息的接收者也需要有根同等粗细的棍子，收到羊皮带后再将它裹到棍子上，才能读出原始信息。这样，即便羊皮带中途被截走，只要对方不知道棍子的粗细，所看到的也只是一些零乱而无用的字句。这就是历史上记载的人类最早对信息进行加密的方法之一。

　　后来，人们渐渐开始利用数学计算方法，用复杂的数字串对信息进行加密。然而，再复杂的数学密钥也可以找到规律。第一台现代计算机的诞生，就是为了破解复杂的数学密码。随着计算机的飞速发展，破译数学密码的难度也逐渐降低。

　　1918年，美国数学家吉尔伯特·维那姆发明了一种被人们称为“无懈可击的密码”的一次性密码。他用毫无规律可循的数字或字母来替代一段情报中的若干个字，而在以后发送情报时，不再重复使用这一套数字和字母随机编排的程序。

　　这种密码使用方式有明显的弱点。每次发送情报，都需要重新编排一套加密和解码的程序，不便于操作；而且，每次发送情报时，都需要把这套程序同时发送给指定的接收者，否则，就没有解码的钥匙；而这把解码的“钥匙”也需要进行加密和解码的设置，这样，又出现了一把新的“钥匙”……

　　二战期间，纳粹德国就是用这种为“钥匙”加密再设置“钥匙”的多重加密方式传送情报，以为这是万无一失的。结果，一次重复使用了同样一把“钥匙”的疏忽，使得极有耐心的英国情报人员破译了德国人一连串的情报，在战场上夺得了主动权。

　　密码大战逼迫人们不得不向科技顶端寻找信息的安全保障。几乎在二战的战争硝烟飘散后不久，各国的科学家就不约而同地打起了物理学的主意。于是，真正无法破译的、最安全的密码终于诞生了。

　　量子密码的未来

　　目前，量子密码的全部研究还在实验室中，没有进入实用阶段。科学家们已经在量子密码的相关研究中取得了一定进展，能在光纤中传递量子密码。由于光子密钥在光纤中传输时容易消耗，量子密码长距离通信的难度较大。目前，实验中的量子密码的最大传输距离没有超过100公里。

　　除了最初利用光子的偏振特性进行编码外，现在还出现了一种新的量子密码的编码方法——利用光子的相位特性进行编码。在长距离的光纤传输中，光子的偏振性会退化，造成误码率的增加。与偏振编码相比，相位编码的好处是对光的偏振态要求不那么苛刻。 任何一项科学研究，目的都是为了能够服务于人类社会。“量子密码”技术要达到可以普遍应用的目的，还有耸立的科学高峰需要科学家们去奋力攀登。

　　要使这项技术可以操作，大体上需要经过这样的程序：在地面发射量子信号——通过大气层发送量子信号——卫星接收量子信号并转发到散布在地球各个角落的指定接收目标。这项技术面对的挑战之一，就是大气层中的空气分子会把量子一个个弹射到四面八方，但却很难让它被指定的卫星吸收。因此，量子密码的传输距离就无法实现质的飞跃。

　　另外，研究人员还有一道科技难关需要攻破。信息的传递，需要最快的速度，但在目前，接受加密量子流的单量子装置必须在低温冷却的状态下，才能保证传递加密量子的速度。为此科学家已在抓紧研究一种办法，力争使它的作用和电话系统中的增音设施相同。据推测，这项研究在未来几年内就可以见到成效。

　　在一些前沿领域，量子密码技术非常被看好，很多针对应用的实验正在进行。比如，美国的BBN多种技术公司正在进行一项研究实验，他们把“量子密码”引进了因特网，并加紧研究一种名为“开关”的设施，以便用户可以在因特网上川流不息的加密量子流中接收属于自己的密码信息。这就如同给了用户一面镜子，用户可以从自己手里的镜子中得到弹射给他的那个密码，而不再需要为其安装一条条线路。

　　目前实用的量子信息系统还是宏观尺度上的量子体系，人们要想做到有效地制备和操作这种量子体系的量子态还是十分困难的。人类在20世纪能够精确地操控航天飞机和搬动单个原子，但却未能掌握操控量子态的有效方法。在21世纪，我们应积极致力于量子技术的开发，推动科学和技术更迅速地发展。

　　【资料】

　　光的偏振性：光具有波粒二相性。光波是电磁波，电磁波是横波，光矢量的振动方向在与光的传播方向垂直的平面（M面）内。一般的人造光（我们通常看到的绝大部分光）都是偏振光，光子在M面内只沿一个固定的方向振动；而自然光（如太阳光）则是非偏振光，在M面内，光子沿各个方向振动，而且振幅相同。

　　光的相位：所谓相位是指光波在前进时，光子振动呈现的交替的波形变化。由于光是电磁波，其光子振动与磁振动垂直，又与波的传播方向垂直，导致了传播时波形的变化。同一种光波通过折射率不同的物质时，光的相位就会发生变化，波长和振幅也会发生变化。