양자 암호는 양자 물리학과 암호를 결합한 새로운 과학입니다. 1994년에 Shor는 양자 컴퓨터에서 정수 분해 및 이산 대수 솔루션을 위한 확률적 다항식 시간 알고리즘을 제안했으며, 2003년에는 Shor의 양자 알고리즘이 타원 곡선으로 확장되었습니다. 이러한 발전은 이론적으로 전통적인 공개 키 암호 시스템의 보안에 의문을 제기했으며 암호 학자들은 양자 컴퓨터 시대에 암호 시스템을 연구하기 시작했습니다.
1. 양자 암호의 물리적 기반
양자암호의 보안은 양자역학의 하이젠베르크의 불확정성 원리를 기반으로 하므로 양자암호 프로토콜을 깨는 것은 양자역학의 법칙을 부정하는 것을 의미하므로 양자암호는 이론적으로 안전한 암호 기술이다.
(1) 양자 비복제 정리
Wootters와 Zurek는 1982년 "Nature" 잡지에 글을 썼고 다음과 같은 질문을 제기했습니다: 각각의 복제된 상태가 초기 양자 상태와 정확히 동일하도록 알 수 없는 양자 상태의 정확한 복제를 실현하는 물리적 프로세스가 있습니까? Zurck 양자 역학의 선형 특성이 이러한 복제를 금지한다는 것이 증명되었으며, 이는 양자 비복제 정리의 원래 표현입니다.
(2) 하이젠베르크의 불확정성 원리
불확정성 원리는 양자역학의 기본 원리입니다. 미시세계의 입자는 위치, 속도 등 공액량이 많고, 시간과 에너지는 2쌍의 공역량이며, 그 중 어느 하나를 측정하면 다른 물리량이 교란될 수밖에 없다 .
양자암호는 양자불확정성을 이용하여 안전한 통신채널을 구성하여 통신하는 양 당사자가 정보의 도청 여부를 감지할 수 있도록 하는 속성으로, 키협상이나 키교환에서 양 당사자에게 절대적인 보안을 제공한다. 양자 암호는 문제의 계산 난이도에 의존하지 않고 기본 물리 법칙을 사용하여 증명 가능한 무조건적인 보안을 제공합니다. 그리고 일회성 패드와 달리 양자 키 교환 및 키 복제를 도청하는 사람이 감지되지 않는 것은 불가능합니다.
불확정성 원리에 따르면 양자암호학의 본질은 다음과 같은 문제로 이해할 수 있다 .↔,↕ , ⤢, ⤡) 단일 광자를 설명하기 위해 확실하게 편광을 결정할 수 있습니까? 직선 기준(↔ \leftrightarrow↔ 및↕ \updownarrow↕ )는 대각선 기저(⤢ 및 ⤡)와 호환되지 않으므로 불확정성 원리는 두 가지를 동시에 측정하는 것을 금지하며, 보다 일반적으로 부분적으로만 신뢰할 수 있더라도 비직교 상태를 식별하는 프로세스는 해당 상태를 방해합니다 .
2. 양자키 분배
양자키분배시스템은 양자암호 연구의 가장 광범위하고 심도 있는 방향이다. 양자 암호 통신은 암호문이나 평문을 전송하는 데 사용되는 것이 아니라 절대적으로 안전한 키를 설정하고 전송하는 데 사용됩니다. 양자 암호 통신은 현재 과학이 인정한 유일한 절대 보안을 달성할 수 있는 통신 방법입니다.법률 통신의 양 당사자가 잠재적인 도청자를 감지하고 도청자가 양자 암호를 해독하지 못하도록 상응하는 조치를 취할 수 있도록 보장할 수 있습니다.크래커가 아무리 강력하더라도 . .
2.1 양자 키 분배의 기본 원리
양자 암호는 양성자의 편극을 사용하여 코드를 프로그래밍합니다 양성자는 수평 및 수직의 4가지 방향과 두 개의 대각선으로 편향될 수 있습니다.
양자 키 분배와 고전적 키 분배의 가장 본질적인 차이점은 전자는 양자 상태를 사용하여 난수 0과 1을 나타내는 반면 기존 키 분배는 물리량을 사용하여 비트 0과 1을 나타내는 것입니다.
비트를 전송하기 위해 광 펄스를 사용한다면 고전 정보에서는 광 펄스의 광자가 1을 나타내고 광자가 없는 경우 0을 나타내지만, 양자 정보에서는 편광 상태와 같은 단일 광자의 양자 상태를 나타내는 데 사용됩니다. 원형 편광과 같은 비트 정보는 1을 나타내고 선형 편광은 0을 나타냅니다. 즉, 각 광 펄스는 최대 하나의 광자만 가질 수 있습니다. 이 광자의 다른 양자 상태는 다른 비트의 정보를 전달한다는 것을 나타냅니다. 단일 광자는 전체적으로 불가분이며, 도청자는 정보를 얻기 위해 파동 분할 방법을 통과할 수 없습니다.
양자 정보에는 중요한 정리, 즉 양자 비복제 정리가 있는데, 이는 미지의 양자 상태를 정확하게 복사(복제)할 수 있는 실제 물리적 시스템이 없기 때문에 도청이 양자를 복사해서 정보를 얻을 수 없다는 것을 지적한다. 양자 키 분배 의 보안을 보장하는 것은 양자 역학의 기본 원리이며 모든 도청 프로세스는 필연적으로 흔적을 남기고 적법한 사용자에게 발견됩니다 . Alice와 Bob이 공유하는 키가 도청되지 않았음을 확신하는 경우에만 보안 통신에 사용할 수 있습니다.
2.2 양자 키 분배 시스템
양자키분배시스템은 발신자가 양자 채널을 이용하여 수신자와 비밀 정보를 공유할 수 있도록 하는 암호시스템으로 권한이 없는 제3자는 정보를 도용할 수 없다. 광장 및 기타 부품.
양자 정보 소스는 주로 채널에서 필요한 양자 상태를 제공하는 양자 채널의 소스입니다. 양자정보원에서 양자코드군을 선택한 후 양자코드군에서 각 양자상태의 발생확률은 다양한 상황일 수 있지만 양자암호시스템에서 선택된 양자상태는 모두 동일한 확률로 나타난다. 양자 정보 소스는 양자 정보 소스에서 양자 코드 그룹이 결정되면 양자 채널도 결정되기 때문에 양자 정보 소스가 고전 정보 소스와 완전히 다르다는 점을 지적해야 합니다.
양자 채널은 비밀 정보를 전송하는 데 사용됩니다. 소위 양자 채널은 큐비트를 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전송하는 양자 정보 채널입니다. 양자 채널은 자유 공간, 광섬유 등과 같은 다양한 형태를 가질 수 있습니다. 고전 정보 이론의 채널은 송신자에서 수신자에게만 정보를 전달하지만 양자 정보 이론에서는 채널에서 정보가 전송되는 방식이 매우 중요하며 정보 전송은 정보 매체에 의해 제한됩니다.
양자 키 배포는 문제의 계산 난이도에 의존하지 않고 기본 물리법칙을 사용하여 암호 시스템에 무조건적인 보안을 제공합니다. 불확정성 원리에 기반한 양자 키 분배는 양자 불확정성을 이용하여 안전한 통신 채널을 구성하고, 양 당사자가 정보 도청 여부를 감지할 수 있도록 하여 키 합의 또는 키 교환에서 양 당사자에게 절대적인 보안을 제공합니다.
지금까지 양자 암호화 구현에는 세 가지 주요 범주가 있습니다.
- 단일 광자 양자 채널의 하이젠베르크 불확정성 원리 기반
- 양자 상관 채널의 벨 원리에 기반
- 두 개의 비직교 양자 상태의 특성을 기반으로 함
2.3 BB84 프로토콜
BB84 프로토콜은 최초의 양자 암호 통신 프로토콜로, 1984년 Benntt와 Brassard가 제안했으며, 이 프로토콜은 4가지 양자 상태(오른손, 왼손잡이, 수평 및 수직 편파 상태)를 사용하여 양자 키 분배를 실현합니다 . 사전에 동의합니다. 왼손잡이 및 수평 편파 상태는 비트 "0"을 나타내고 오른손잡이 및 수직 편파 상태는 비트 "1"을 나타냅니다.
양자키 분배의 동작 단계는 다음과 같다.
- (1) 사용자 A는 사용자 B에게 여러 광자를 보내고 각 광자는 오른 손잡이, 왼손잡이, 수평 또는 수직의 네 가지 편광 상태 중 하나를 임의로 선택합니다.
- (2) 사용자 B는 선형 편광 베이스 또는 원형 편광 베이스를 임의로 선택하여 광자의 편광 상태를 측정하고 측정 결과를 기록합니다.
- (3) 사용자 B는 공개 채널에서 사용자 A에게 매번 자신이 선택한 측정 기반을 알려주지만 측정 결과를 게시하지는 않습니다.
- (4) 사용자 A는 사용자 B의 측정 기준을 알게 된 후, 사용자 B의 측정 기준 중 어느 것이 옳고 그른지를 판단할 수 있고, 열린 채널을 통해 사용자 B에게 선택된 기준의 측정을 떠나라고 지시한다. 사용자 A와 사용자 B는 50 50% 일 수 있습니다.50의 성공률로 정확히 동일한 시퀀스의 난수를 생성합니다.
- (5) 사용자 B는 설정된 무작위 비트 시퀀스에서 일부 비트를 샘플링합니다. 일반적으로 1/3 1/31/3 , 사용자 A에게 전송됩니다.
- (6) 사용자 A는 사용자 B가 보낸 비트와 자신이 보낸 비트가 일치하는지 확인하여 도청이 없으면 일치하고, 그렇지 않으면 도청이 발생한 것으로 본다.
- (7) 도청이 발생하지 않는 경우 양 당사자는 나머지 2/3 2/3을 사용하기로 합의할 수 있습니다.2/3 비트를 공유 세션 키로 사용하여 키 분배를 실현합니다. 사용자 A와 사용자 B는 이러한 방식으로 충분한 비트를 얻을 수 있습니다.