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量子密码学是密码学发展的下一级加密方向。量子加密源于量子物理学原理，涉及物理机制与计算能力的混合。这种计算能力和量子机制用于创建两个强大的安全系统，即量子密钥分发和量子安全密码学。
我们将在本指南中带您了解量子加密和密码学。展望未来，您还将了解量子密码学的工作原理及其在我们的世界中的应用。
解释量子密码学
量子密码学是将量子物理学的原理应用于加密和密码学。通过将量子特性与加密技术相结合，安全性非常高，以至非授权人员无法访问与该系统共享和保护的数据。
即使黑客利用量子计算机和相关破解工具包，也无法破解量子加密。这是因为量子加密利用量子的三大特性对信息加密保护。
毫无疑问，量子加密比我们今天使用的传统加密措施更好、更可靠、更安全。国际使用较为广泛的高级加密标准（AES）使数据几乎无法破解，但在量子计算面前仍显得很脆弱。
Alice和Bob演示
为了描述量子加密背后的工作，我们给出了一个案例，假设爱丽丝想给鲍勃发个信息。当她写下信息时会通过偏振器使每一个光子极化以改变其方向为特定类型。可以是水平、垂直或对角线。
这是未来协商出后续的加密密钥，密钥是根据光子偏振方向和BB84协议协商产生。发送端会利用偏振器对单光子进行调制并发给鲍勃，鲍勃收到消息后会根据接收端的接收器接收并解码生成密钥形成密钥对。
在这种情况下，假设有另一个人试图监听。在加密世界中，这个人叫伊芙。伊芙正在使用自己的偏振器来监听消息。那么由于伊芙的监听会导致光子的状态发生改变，鲍勃和爱丽丝会感知到这个变化并产生预警，因为量子的特性导致观测者无法在不改变光子状态的情况下进行数据监听。
基于这一原理，量子密码技术被开发出来，并用作保护数据、通信和信息安全。
量子密码学背后的原理
量子密码学利用单个光粒子进行数据传输和通信。这些数据通过光纤线传输。每一个单光子代表一位二进制比特，因此安全性取决于对量子力学的执行。
利用单光子是目前通用的解决方案，因为单光子在可调制性上有着良好表现。此外，在不改变任何单光子量子特性的情况下，就无法进行监听，并且单光子不可复制。
基于这些量子特性，量子密码学能够提供最高形式的安全性。通过量子密码学共享的密钥是不可破解的。
到目前为止还没有被证明有破解量子加密的办法，即使量子计算破解量子密钥也不容易。
让我们来详细介绍一下光子。在量子密码学中，每个通过量子保密通信系统调制的光子都代表一位二进制码数。它可以代表是0或1。
密钥就是由1和0组成的字符串，用于创建只有两个通信实体才能用于加密和解密的密钥。量子计算加密的工作方式类似于AES，但由于量子的物理学特性，安全性会产生极大提高。
偏振器会为光子提供了独特的自旋。它可以是垂直（|）、水平（-）、右侧对角线（/）或左侧对角线（）。这为密钥产生提供了标识属性。
海森堡不确定性原理
该原理指出，不可能同时精确确定一个基本粒子的位置和动量。这个原则不适用于宏观世界。
这个不确定性来自两个因素，首先测量某东西的行为将会不可避免地扰乱那个事物，从而改变它的状态。因此，海森堡不确定性原理在量子计算和密码学中发挥着重要作用。
为什么需要量子密码学？
随着量子计算的到来，现有的加密标准可能已经变得脆弱。
在量子计算中使用Shor算法，计算机已经打破了非对称加密。普通计算机无法找到质数，这是在RSA加密标准中破解解密密钥的关键。但是量子计算机可以轻易找到对应质数并破解密钥。
相对应AES-64位和AES-128位已经可以被量子计算机的短时间暴力破解。虽然这是实验室产物没有进行商用化，可是要未雨绸缪防范于未然。
量子安全加密和量子密钥分发（QKD）
量子加密和传统加密有两个概念;
量子安全密码学
传统加密它基本上可以保护数据免受我们日常生活中使用的经典计算机的黑客攻击，保证数据安全。而面对量子技术就有些力不从心。因为量子计算机具有更高的计算能力和并行能力以及不确定推导。
目前，量子保密通信应用和相关标准在逐步完善，一旦量子保密通信被批准和标准化，将很快进入量子保密通信时代。
现有的加密标准，如AES，ECC，RSA等，使用数学方程以及数学模型来生成密钥。但是量子密码学，可以生成具有量子物理特性和数学方程相结合的密钥。
量子密钥分发
量子密钥分发（QKD）涉及通过光纤通信以单光子调制等相关技术。量子密钥分发可以保证密钥在传递过程中的安全性，并具有入侵检测功能。
QKD基于量子特性使它可以轻松检测到任何类型的入侵。一旦发生入侵行为将提醒通信双方产生报警，并且用于数据传输的密钥被丢弃重新协商。
QDK一般两条通信信道，量子信道和经典通信信道，量子通道用于量子密钥产生和分发，经典通道加密数据传输通信。
量子安全密码学是“不可破解的”吗？
加密密钥以光子的形式在两个通信实体之间来回发送传递在理论上是无法追踪和窃听。
光纤线路是该量子保密通信系统的关键组成。目前在量子保密通信领域已经讨论了所有的光纤线路以及各种形式的传输方式目前光纤传输是最优解。但是，这里还使用了另一种传输方式，即使用卫星来交换密钥。
在基于卫星的方法中，量子纠缠原理开始发挥作用。中国在这项技术领域领先世界。
稍微偏离一下这里的话题，在纠缠中，两个粒子纠缠到它们达到相同状态的水平。一旦实现了这一点，其中一个粒子发生变化就会导致在另一端接收粒子产生相同的变化，具有与其孪生粒子相似的状态。
因此，它可用于共享加密密钥，然后用于保护传统通道上的通信。
基于该量子保密通信系统适用的设备、技术和原理，我们可以说，目前，量子密码学是不可破解的。
量子密码学的优点和缺点
鉴于其优点，量子加密相较于传统密码学也有一些缺点。让我们先来看看好处：
量子加密的优势
通信是安全的：使用量子密码学，通信的安全级别高于传统加密标准。由于它基于量子物理定律，因此通信更安全。
多种安全方法：量子技术和量子物理学有助于通过不同的方法提供所需的安全性。我们在上面的章节中讨论了纠缠和偏振器。但未来通过更多的研究和开发，可以衍生出更多的方法。
检测窃听：使用量子安全加密，我们可以检测除授权访问数据的两个实体之外的任何一方是否试图侵入。
量子密码学的局限性
即使是像量子密码学这样好的技术也有其局限性。
范围限制：由于纠缠系统也就是卫星通信的应用有限，我们不得不依靠光纤电缆来实现量子加密。而这只能铺设有限的距离。我们拥有的最长可达500公里。
偏振变化：光子很容易改变其偏振，这就表明即使它们在运输过程中也是如此。这可能会导致更高的错误率。
昂贵的设备：不仅是光纤电缆，设置和安装量子密码系统所需的各种设备都非常昂贵。
结论
从最初我们保护数据和传统通信的数学方程式到现在将量子物理学用于保密通信，我们实现了保密通信的更进一步发展。随着量子计算和量子密码学的发展未来企业、政府和组织数据将进一步得到保护，黑客几乎不可能入侵系统并窃听数据。
即使有其局限性，量子保密通信也是高度安全和有用的。一旦获得国家政策导向在未来的时间里，我们可以看到量子密码技术的大规模实施。
