你完全可以理解量子信息（13）| 袁岚峰
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导读对称密码体制本身是安全的，但分发密钥的信使是大漏洞。非对称密码体制不需要信使，但你又会担心它被数学方法破解。山重水复疑无路，柳暗花明又一村。当当当当当，英雄闪亮登场的时候到了！不错，我就是美貌与智慧并重，英雄与侠义的化身，……量子密码术！
前文参见： 你完全可以理解量子信息（1） | 袁岚峰
十三、为什么需要量子密码术？
我们终于说到了量子信息的最后一个应用“量子密码术”，也称为“量子保密通信”或者“量子密钥分发”。这是迄今唯一接近实用的量子信息应用，但这一个就具有极高的军事和商业价值，足以证明各国对量子信息的大力投入是物有所值的。所以，我们也要用最多的篇幅来比较详细地解释它。
在科学界的术语中，量子通信是一个广泛的研究领域，包括量子密码术、量子隐形传态和本文中没有介绍的“超密编码”等等。但由于量子密码术是唯一接近实用的，所以当媒体报道“量子通信”的时候，他们往往实际上指的就是量子密码术，即量子通信的一部分而非全部。这是我们在看新闻时需要注意的。
看“量子密码术”这个名字，就能知道这是一种保密的方法。为什么需要用量子力学的方法来保密呢？我们需要了解密码学的基本原理，才能明白量子密码术解决了传统密码术的什么“痛点”，以及量子因数分解对传统密码术造成了什么样的挑战。（敲黑板！）下面我们来上一堂简短的密码学课程。
把明文变换成密文，需要两个元素：变换的规则和变换的参数。前者是编码的算法，例如“在英文字母表上前进x步”。后者是密钥，例如上述算法中的x这个数。如果取x = 1，明文的“fly at once”（立即起飞）就会变成密文的“gmz bu podf”。
一般人常常以为，我用一个你想不到的算法，就能保密。但事实上，把希望寄托在算法不泄露上，是靠不住的。同一个算法很可能有许多人在用，这些人当中任何一个人都可能泄露算法。如果算法用到机器（例如二战中德国用的Enigma密码机），那么敌人只要得到一台机器，就可以知道算法。
闪电战创始人古德里安在指挥车上，左下方是Enigma密码机
只要你知道有一个人或一台机器泄露了算法，那么所有人的算法就都要换，这个工作量大得惊人。如果你没发现算法的泄露，那损失就更可怕了。例如在第二次世界大战中，德国和日本的密码系统早就被盟国破解了，而他们一直不知道，送上了无数机密。山本五十六的飞机，就是因为行程泄露被击落的。
那么，靠得住的是什么呢？所有的保密方法都是通过隐藏某些东西来实现的，需要隐藏的越少，安全性就越高，而最容易隐藏的是密钥。同一个算法可以有很多个密钥，使用同样算法的每一组人都可以用单独的密钥。如果有人泄露了一组密钥，用不着惊慌，只要更换一组密钥就行。即使你没发现密钥泄露，也只是这一组人的情报失窃，不会拖累其他人。
因此，密码学的一个基本原则是，在设计算法时，你必须假设敌人已经知道了算法和密文，唯一不知道的就是密钥。密码学的研究目标就是，让敌人在这种情况下破译不了密文。当然，你可以对算法保密，这可能会增加敌人的困难。但无论如何，不能把希望寄托在这上面。
最容易想到的保密框架，是通信双方都知道同一组密钥，A用它将明文转换成密文，B用它将密文变换回原文。《红灯记》、《潜伏》等谍战片中情报人员舍死忘生、殚精竭虑保护和争夺的密码本，就是密钥。由于通信双方都知道同一组密钥，所以这种方法叫做“对称密码体制”。
《红灯记》
对称密码体制究竟安全不安全呢？回答是：密码本身可以是安全的，但密钥的分发不安全。
我们先来解释前一句话：密码本身可以是安全的。信息论的创始人香农（Claude E. Shannon）证明了一个数学定理：密钥如果满足三个条件，那么通信就是“绝对安全”的。这里“绝对安全”是一个数学用语，它的意思是：敌人即使截获了密文，也无法破译出明文，他能做的最多也只是瞎猜而已。哪三个条件呢？一，密钥是一串随机的字符串；二，密钥的长度跟明文一样，甚至更长；三，每传送一次密文就更换密钥，即“一次一密”。满足这三个条件的密钥叫做“一次性便笺”。
稍微思考一下，就能理解香农的定理。比如说，你拿到的密文是一个8位的字符串DHDSBFKF，这其中每一位的原文都是另外一个字符，对应规则都是“在英文字母表上前进x步”，但x对每一位都单独取值（这就需要密钥的长度至少跟原文一样，即第二个条件），而且是随机的（第一个条件）。例如第一位的x = 1，把原文的C变成密文的D，第二位的x = 3，把原文的E变成密文的H。如果你是敌对方，你如何猜出原文？
有一个常用的办法是基于英文中各个字母使用频率的不同（最常见的前五位是E、T、A、O、I），统计密文中每个字母出现的频率。但这只适用于每一位的变换规则都相同的情况（即只有一个统一的x），而在这里每一位都有自己随机的x，这一招就用不上了。如果不是一次一密（第三个条件），你还可以连续截获好几份密文，然后在多份密文的同一个位置做这种频率分析。但加上一次一密之后，连这个仅存的希望也破灭了。因此，你除了瞎蒙之外，还能干什么呢？
我们再来解释后一句话：密钥的分发不安全。香农的定理听起来好像已经解决了保密通信的问题，但其实没有。真正的难题在于，怎么把密钥从一方传给另一方？
在现实生活中，需要第三方的信使来传递。而信使可能被抓（如《红灯记》中的李玉和）或者叛变（如《红岩》中的甫志高），这麻烦就大了。最好是不通过信使，通信双方直接见面分享密钥。但是如果双方可以轻易见面，还要通信干什么？
有人可能会想到一个“机智”的主意，让信使一次就配送尽可能多的密钥，足以在很长时间内使用，比如说足够传输一亿次。但即使先不问“第一亿零一次怎么办”，你也很快就会明白，这只是把泄密的风险从密钥的配送（部分地）转移到密钥的保存而已。只要你手里有个密钥，敌人就可能来偷，而你手里的密钥越多，在使用前保存的时间越长，被偷走的风险就越大。为了把密钥保存的困难降到最低，最好是只保存一次使用的密钥，一拿到立刻就用掉，但那样需要的配送次数又是最多的。难哪！
为了解决密钥配送和保存的问题，聪明的数学家们想出了另外一套办法，称为“非对称密码体制”或者“公钥密码体制”。现在不需要信使了，李铁梅和余则成可以光荣下岗了。为什么可以做到这样呢？请注意，解密只是接收方B的事，发送方A并不需要解密，他们只要能加密就行。
那好，B打造一把“锁”和相应的“钥匙”，把打开的锁公开寄给A。A把文件放到箱子里，用这把锁锁上，再公开把箱子寄给B。B用钥匙打开箱子，信息传输就完成了。
如果有敌对者截获了箱子，他没有钥匙打不开锁，仍然无法得到文件。这里的“锁”是公开的，任何人都能得到，所以叫做“公钥”，而“钥匙”只在B手里有，所以叫做“私钥”。
这种巧妙的思想，实现的关键在于：有了私钥可以很容易地得到公钥，而有了公钥却很难得到私钥。就是说，有些事情沿着一个方向操作很容易，逆向操作却非常困难，“易守难攻”。因数分解就是一个典型例子。这就是因数分解能用于密码术的原因，上文所述的RSA密码体系就以此为基础。
然而，公钥密码体制仍然不能保证绝对安全。无论是经典的还是量子的算法，都在不断改进。RSA在理论上已经被量子的因数分解算法攻克了。你当然可以寻找其他的易守难攻的数学问题（这是一个活跃的研究领域），但谁也无法保证将来的算法进步是不是能破解这个问题，这会成为一场无穷无尽的猫捉老鼠的游戏。更可怕的是，有可能敌对国家或组织已经找到解密的算法了，而你还不知道！
我们来总结一下传统密码术的困境。对称密码体制本身是安全的，但分发密钥的信使是大漏洞。非对称密码体制不需要信使，但你又会担心它被数学方法破解。两难。
山重水复疑无路，柳暗花明又一村。当当当当当，英雄闪亮登场的时候到了！不错，我就是美貌与智慧并重，英雄与侠义的化身，……量子密码术！
我就是美貌与智慧并重，英雄与侠义的化身：唐伯虎
咳咳，量子密码术做的是什么呢？其实是回到对称密码体制，但取消信使。也就是说，不通过信使，就能让双方直接共享密钥。这样就吸收了对称和非对称两种密码体制的优点，克服了它们的缺点，实现了一种真正无懈可击的保密通信。
怪哉，不通过信使怎么共享密钥？关键在于，这里的密钥并不是预先就有的，一方拿着想交给另一方。（地下党组织：李玉和同志，这是密电码，这个光荣而艰巨的任务就交给你了。）在初始状态中，密钥并不存在！（地下党组织：李玉和同志，我们没有任何东西要交给你，解散！）
量子密钥是在双方建立通信之后，通过双方的一系列操作产生出来的。利用量子力学的特性，可以使双方同时在各自手里产生一串随机数，而且不用看对方的数据，就能确定对方的随机数序列和自己的随机数序列是完全相同的。这串随机数序列就被用作密钥。量子密钥的产生过程，同时就是分发过程，——这就是量子密码术不需要信使的原因。
关于量子密钥的特点，还可以再解释得详细一点。量子密钥是一串随机的字符串，长度可以任意长，而且每次需要传输信息时都重新产生一段密钥，这样就完全满足了香农定理的三个要求（密钥随机，长度不低于明文，一次一密），因此用量子密钥加密后的密文是不可破译的。
双方都有了密钥之后，剩下的事情就跟经典的通信完全相同了：A把明文用密钥编码成密文，然后用任意的通信方式发给B。“任意的”通信方式的意思就是“怎么都行”：可以用电话，可以用电报，可以用电子邮件，甚至用平信都行。香农的定理保证了这一步不怕任何敌人，因为截获了也破译不了。
因此，量子保密通信的全过程包括两步。第一步是密钥的产生，这一步用到量子力学的特性，需要特别的方案和设备。第二步是密文的传输，这一步就是普通的通信，可以利用任何现成的通信方式和设施。量子保密通信所有的奇妙之处都在第一步上，所以它又被叫做“量子密钥分发”，这是业内人士常用的一个技术性的名称。
（未完待续）
背景简介：本文作者为袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，科技与战略风云学会会长，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。本文应新浪科技之邀，2017年8月31日以《<科学大家>| 4万字干货！你完全可以理解量子信息》为题发表于新浪科技“科学大家”栏目（http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml）。
致谢：感谢中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室陈宇翱教授、陈腾云博士、彭新华教授、陆朝阳教授、张强教授、张文卓博士和清华大学交叉信息研究院尹璋琦博士、物理系王向斌教授在科学内容方面的指教。
责任编辑：孙远
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