量子密碼學的這種計算能力和量子機制被用來創建兩個強大的安全系統，量子密鑰分發和量子安全密碼學。本篇將解析兩者差異，並說明其優缺點。本文源自 Eden Allen 的文章《A Detailed Guide on Quantum Cryptography with Pros and Cons》，由 ChinaDefi 編譯，PANews 整理。
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量子密碼學是目前使用的加密技術的下一個篇章。這部分加密起源於物理原理，涉及物理機制和計算能力。這種計算能力和量子機制被用來創建兩個強大的安全系統，量子密鑰分發和量子安全密碼學。
我們將在本指南中詳細介紹量子加密和密碼學，我們還會通過此篇了解量子密碼學是如何工作的，以及它在我們的世界中的應用是什麼。
解釋量子密碼學
量子密碼學將量子力學的原理應用於加密和密碼學。當將量子機制集成到加密中後，由此產生的安全性非常嚴格，任何人都無法訪問由該系統共享和保護的數據。
即使駭客能夠訪問量子電腦和整個套件，他們也無法破解這裡提供的加密。這是因為量子加密利用了量子的多態和「不變理論」來保護訊息。
毫無疑問，量子加密比我們至今使用的傳統加密措施更好、更可靠、更可信。高級加密標準 (AES) 使數據幾乎無法被破解，但它也並沒有防的滴水不漏。
Alice 和 Bob 的出場（例子）
為了描述量子加密背後的工作原理，這裡舉出了一個案例示例，這將有助於使事情更清晰。假設 Alice 想給 Bob 發送一條消息。當她寫入訊息並通過偏振器使每一個光子偏振來改變其方向為特定類型。這可以是水平的、垂直的或對角線的。
這裡的加密密鑰是光子方向的變化。一旦收到，Bob 就會猜偏振器並解碼訊息。在這裡，Bob 將猜測光子案例並將其與 Alice 生成的案例相匹配。
在本例中，假設有另一個人試圖訪問消息。在加密世界裡，這個人通常被叫做 Eve。 Eve 用自己的偏振器來獲取訊息。如果 Eve 使用偏振器來解碼，Bob 和 Alice 會說這裡存在差異，因為我們不能在不移動或改變光子的情況下改變它的屬性。
有了這個後端原理，量子密碼學就被開發出來，用作保護數據、交易、通信和訊息的保護措施。
量子密碼學的原理
量子密碼學利用光子等單個光粒子進行數據傳輸。這些數據通過光纖傳輸。光子代表二進制位，因此安全性取決於量子力學的執行。
利用光子或光粒子是有效的，因為這些粒子可以同時存在於兩個或多個地方。此外，如果不先改變量子性質，就不能改變或觀察它，粒子也不能被複製。
有了這些方面，量子密碼學能夠提供最高形式的安全。有人可能會說，通過量子密碼學共享的密鑰是不可破解的，因為這裡應用了光子的原理。
然而，我們看到了繞過該系統提供的安全性的一些可能性。但目前還沒有任何證據或證明，即使有量子計算能力，破解量子密鑰也不是一件容易的事。
讓我們來了解一些關於光子的細節。在量子密碼學中，每一個通過加密系統的光子都代表一個二進制程式碼。它可以是 0 或 1。
密鑰表示由 1 和 0 組成的字符串，創建了一個連貫的消息，只有相關的兩個實體可以使用該消息進行加密和解密。量子計算加密的工作方式與 AES 類似，但由於光子的特性，我們可以看到安全方面的巨大變化。
由光子轉換而來的二進制位為光子提供了獨特的自旋。它可以是垂直的、水平的、右對角線或左對角線。這為密鑰提供了唯一的程式碼或加密屬性。
海森堡的不確定性原理
這個原理說明我們不能測量或計算物體的位置和動量。這一原則不適用於宏觀世界，因為宏觀世界的微小變化常常被忽略。
但在量子世界中，即使是最微小的變化也會產生巨大的影響。因此，海森堡不確定性原理在量子計算和密碼學中扮演著重要的角色。
為什麼對量子密碼學有需求?
你聽說過「需要是發明之母」這句話嗎？量子加密和密碼學的起源也有類似的故事。隨著量子計算的到來，現有的加密標準可能變得脆弱。
利用量子計算中的 Shor 算法，計算機就能打破非對稱加密。普通計算機無法在 RSA 加密標準中找到用於找解密密鑰的關鍵素數。但是量子計算機可以找到素數。因此，它可以破壞密鑰。
AES 的 AES-64 位和 AES-128 位在量子計算機的「暴力」攻擊下變得脆弱。雖然他們仍然沒有被駭，但暴力攻擊已經降低了其安全網的門檻。
這是在某種程度上將 AES-128 位減少到 AES-64 位，將 AES-256 位減少到 AES-128 位。當然 AES-128 位標準仍然可以保護訊息，但我們可以說，量子計算機破解密碼只是時間問題。
量子安全密碼學和量子密鑰分發 (QKD)
量子加密和密碼學產生了兩個概念：
量子安全密碼學
量子安全密碼學確定了密鑰抵抗攻擊的方法、努力和算法。它基本上確定了使任何數據免受日常生活中使用的經典計算機或量子計算機的駭客攻擊的措施。
這裡的重點是量子計算機，因為它們具有更高的計算能力和可能性。
量子安全密碼學也被稱為後量子密碼學。目前，NIST 正致力於徵求、評估和標準化抗量子公鑰加密算法。一旦它們被批准並進行標準化，量子密碼密鑰就可以供公眾使用。
現有的加密標準如 AES、ECC、RSA 等都是使用數學方程生成密文。但有了量子密碼學，我們可以用物理和數學方程生成密文。
量子密鑰分發
量子密鑰分發 (QKD)，涉及以光子形式通過光鏈路發送數據。其目的是確保對數據的保護和保障數據的安全，使用量子密碼學生成的系統 QKD 就很容易提供這一點。
QKD 提供的更高形式的安全性源於這樣一個事實：它可以很容易地檢測到任何類型的入侵。這將提醒相關方或實體，丟棄用於數據傳輸的密鑰。
QKD 是通信渠道中最常用的一種。我們可以從許多協議中進行選擇來實現 QKD。但它需要一個量子通道和一個經過驗證的經典通道。
量子通道以光子的形式發送光的狀態，而經典通道是發送方和接收方的通道。
量子安全密碼學「不可破解」嗎?
在每一次關於量子加密和密碼學的討論中，量子力學定律都會冒出來。以光子的形式在兩個實體之間來回發送加密密鑰的活動在理論上是無法追蹤的。
光纖線路是該系統的關鍵部件。我們已經討論了所有的光纖線路以及它們如何使傳輸安全。然而，這裡使用了另一種傳輸方式，即使用衛星交換密鑰。
在基於衛星的方法中，糾纏原理就會發揮作用。
這裡稍微離題一點，在糾纏中，兩個粒子糾纏到一定程度，就會使它們達到相同的狀態。一旦實現了這一點，其中一個粒子就會被送到其他人那裡。當粒子在另一端被接收後，它被確保具有與其孿生粒子相似的狀態。
如果其中一個粒子發生了變化，另一個粒子也會發生變化以進行匹配，這是一個不確定的事實。這是因為我們沒有將糾纏用於通信目的。
因此，我們不能使用此屬性進行通信，但可以使用它共享加密密鑰，然後可以使用加密密鑰保護通過傳統通道進行的通信。
根據該系統所適用的設備、技術和系統，我們可以說，目前量子密碼學是不可破解的。即使有了我們今天可以使用的量子計算系統，駭客通信、數據和傳輸實際上也是不可能的。
量子密碼的利與弊
儘管量子加密和密碼學有其優點，但也有一些缺點。
量子加密的優點：
- 通信是安全的：使用量子密碼學，通信的安全級別高於傳統加密標準。由於它基於量子物理定律，通信更加安全。
- 多種安全方法：量子計算和物理學通過不同的方法提供所需的安全性。我們已經在上面的章節中討論了糾纏和偏振器。但在未來，通過更多的研究和發展，可以衍生出更多的方法。
- 檢測：使用量子安全密碼學，我們可以檢測除被授權訪問數據的兩個實體之外的實體是否試圖入侵。
量子密碼學的局限性：
即使是像量子密碼學這樣優秀的技術也有其局限性。
- 受限於範圍：由於糾纏系統的應用範圍有限，我們只能依靠光纜來實現量子加密。這些電線只能鋪設有限的距離。最長可達 500 公里。
- 偏振變化：光子很容易發生偏振變化，即使在傳輸過程中也是如此。這可能會導致較高的錯誤率。
- 昂貴的設備：不僅僅是光纖電纜，設置和安裝量子密碼系統所需的所有設備都非常昂貴。
結論
從幫助我們保護數據和在線通信安全的數學方程，到為了同樣的目的而使用的物理學，我們已經進行了進化。隨著量子計算和密碼學允許企業、政府和組織進一步保護他們的數據，駭客將幾乎不可能侵入系統。
即使有其局限性，量子加密和密碼學也是高度安全和有用的。
在未來的一段時間裡，我們可以看到加密技術的大規模實施。
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