量子卫星上天了,来聊聊为什么说量子通讯是安全的。顺便 ...

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/03/28 22:16:54


        人类第一颗量子卫星上天了,结果地面上的人类全TM凌乱了。有砖家跳出来大声疾呼骗钱无用的,有小号马甲冷嘲热讽说是浪费人民血汗钱的。广大吃瓜群众一边吃瓜一边表示天儿太热,量子什么的什么鬼,不要妨碍我围观王宝强离婚。

       本来嘛,作为早就脱离了低级趣味的我国群众,平时主要关注具有高尚情操的热点新闻,比如最近开展的新婚姻法全国普法行动之类,量子什么鬼,一般人要是在朋友聚会时大谈这种话题,那不是伪娘就是GAY,一个字,不会聊天。

       但为了增强广大人民群众的辨别能力,我在这里当一次搬运工,和大家一起认识认识到底什么是量子密码、量子通讯。
这两天关于量子卫星的新闻都在围绕一个焦点报导,即以量子卫星为标志的新一代通讯系统将带来无可比拟的安全性。那就让我们先从密码说起。

      先说信息安全的重要性,相信这个大家都能明白,银行卡密码能乱说吗,不能。

      问题来了,银行卡放家里了,你媳妇要取钱,跑来问你银行卡密码,这时你正好和一大帮人站在一起,直接说大家就都知道了,这怎么办。你灵机一动,告诉你媳妇:银行卡密码+你的生日-100000=123456。于是你媳妇就知道密码了。

      现在让我们来看一下,在这个例子里,你和你媳妇是信息的发送者和接受者,而旁边站着的一堆人就是偷听者,你想对你媳妇传递的信息,也就是银行卡密码的具体内容我们管它叫明文;而只有你媳妇知道她的生日日期,这就是密钥。银行卡密码+你媳妇生日-100000,这就是加密算法。经过加密得到的密文就是123456。

      你媳妇知道她的生日是89年3月17日,在得到密文以后,用123456+100000-890317=-666861于是知道了银行卡密码是666861,也就是明文的内容。而旁边的偷听者因为不知道你媳妇的生日,所以还是得不到明文的内容。整个过程如下图:


     在这个例子里有很重要的一点,加密的算法你是当众讲出来的,大家都知道,而偷听者不知道密钥,所以无法得到明文的内容。也就是你家的银行卡密码。
这是密码学中非常重要的一点:一个密码系统的安全性不在于对加密算法进行保密,而仅在于对密钥的保密。

     因为更换加密算法成本巨大,耗时很长,而加密算法又是很可能被窃听者所获得的,比如好莱坞电影《猎杀U571》,美国人去抢夺德国人的密码机,就是为了获得德军密码的算法。而对于许多商业密码,算法更是公开的,大家都知道。但是偷听者没有密钥,还是得不到明文的内容。

       与算法相对立,密钥是频繁更换的,密钥的重要性是密码学中一条永久的原则。除了对密钥保密以外,一个安全的密码系统还必须有一个大范围的密钥可供选择,例如,你媳妇的生日,后四位数字只有365种可能,前两位数字,可以根据估算你老婆的年龄,范围确定在5个数字之间。也就是说密钥范围只有5*365=1825个。用穷举法可以很快尝试所以的密钥。
靠谱的密码系统密钥范围那可是相当的大,如果想用穷举法破解,用普通计算机那是动不动就需要一百好几十年的。说到这里,有同学就不服气了,普通计算机不行,那咱就用超算啊,TG家不是有全世界最快的超算吗,怕个鸟。确实,在强大的计算能力面前密码就显得没那么牢固了。本来要一百好几十年才能找到正确的密钥,结果变成几天就能找到了。

      不过运算能力的提高相对而言是很困难的,而加密者扩大密钥的范围则简单多了。那RSA密码举例,加密者只需要增加密钥的长度,就可以极大的增加穷举算法的运算量。因此破译密码靠穷举法一般是不行的。几十年后破译出二战某艘潜艇某天的航向和位置,还有军事价值吗?

       那就没办法了吗,当然不是,办法还是有的。比如通过数学方法找出密码算法中的弱点,可以通过密文得到密钥和明文。最经典的例子莫过于盟军二战破译德国恩尼格玛密码。有兴趣的朋友可以去搜一搜相关资料。在此就不赘述了。

       还有更简单的,你不是要加密吗,爷不准你加不就得了。比如1993年的时候FBI就找上了PGP密码的发明人,齐默尔曼,准备告他非法出口武器。没错,美国政府把加密系统列为武器,和导弹、大炮、枪支一样。对于软件产品,美国国内的密钥长度是没有限制的,不过出口到国外的,只能用长度较短的密钥,具体短到什么程度,主要看美国NSA的计算机有多大的运算能力了。要是赶上哥们换电脑慢点,那对不起,您的密钥也就短点吧。

     不过不是所有偷听者都有美国政府这么牛气,运算能力不够的问题还是存在,要想从一个很大的范围里找到真确的密钥,破译者就需要更快的计算机。于是,量子计算机就被提出来了。

      那什么是量子计算机呢。好吧,让我们一起来面对一些让人晕头转向的理论吧。

      让我们先从18世纪的托马斯。杨说起,这位仁兄大家肯定不陌生,高中物理大家都学过他,估计恨他的也不少。没错,就是写《光的波动理论》那位。当年这位做了一个实验,在一张不透光的纸上,用手术刀切了两个平行的口子,在纸的背后放了一个光源,然后在纸前方一定距离的地方放了一个屏幕,屏幕上形成了扇状分布,明暗相间的光斑。这就是光的干涉。是两个光波相遇,波峰遇见波峰相互增强就形成亮斑,波谷遇见波峰相互抵消形成暗斑。

     不过光具有波粒二象性,如果我们的光源可以每次只发出一个光子,会观测到什么结果呢?想来至少要两个光子同时从左右两个不同的口子穿过去,才能产生干涉作用,所以单个光子穿过缝隙应该是无法观察到干涉现象的。然而,出乎科学家们的预料,当只有一个光子穿过缝隙时,也能产生明暗相间的光斑,也就是像有很多光子发生的干涉现象。这下就TM尴尬了。这种现象该怎么解释呢?

      于是有人就说,这个光子即有可能从左边的缝隙穿过去,也有可能从右边的缝隙穿过去,由于我们不知道它到底是从哪个缝隙穿过去的,所以我们假定它同时穿过了两个缝隙。
      我知道现在有人已经在骂了:这么不要脸的话您也说的出口,但请各位围观群众冷静,那帮科学家真这么解释的。

       光子的从左边还是右边穿过去的,每种可能性称为一种状态,因为光子满足这两种可能性,所以它处于两种可能性的重叠状态。这就是叠加理论。那位感情生活十分丰富的薛定谔,创立的“薛定谔的猫”理论就经常被用来帮助理解重叠状态理论的概念。这个相信大家都知道。

       这么TM不靠谱的理论,当然会有人不相信了。于是就有人提出了另一种解释,说是在光子穿过的那一刻,宇宙突然分成了两个宇宙,一个宇宙里,光子从左边穿了过去,另一个宇宙里光子从右边穿了过去,然后两个宇宙以某种方式相互干涉,形成光斑。这就是多元宇宙论。嗯,是不是比上一种理论好点?

      不管这两种理论看上去多么不靠谱,但只有量子理论才能解释太阳为什么发光,才能计算核反应堆的反应结果,以及制造出你面前电脑里的CPU。

       而所谓量子计算机,就是根据量子物理定律进行操作的计算子。比如你有一个问题,这个问题有两种形式,在普通计算机上,你只能现将第一种形式输入进去,然后等待答案,接着输入第二种形式,再得到答案。也就是说,在普通计算机上,一台计算机一次只能处理一个问题,有多个问题时,只能逐个处理。

     但是如果用量子计算机,这个问题就被合并成具有两种状态的叠加,然后同时输入计算机,接着计算机本身就进入两种状态的重叠状态,一种状态就是一个问题。如果用多元宇宙理论解释,就是计算机同时在两个宇宙运算,在不同的宇宙运算问题的每一个形式。总之,量子计算机可以同时处理这个问题的两种形式。

    举个例子,如果要求一个X,X^2和X^3一共用到了阿拉伯数字0到9一次,且仅有一次。例如当X=19,19^2=361;19^3=6859,就会发现19不满足条件,因为结果里只有阿拉伯数字1、3、5、6、6、8、9,缺了数字0、2、4、7,而数字6出现了两次。

     传统计算机算法,为了解决这个问题不得不先尝试数字1,得到结果然后与判别条件比较,看这个数字是否符合标准。数字1不符合,然后尝试数字2,以此类推。直到找到符合条件的数字69。传统计算机一次只能测试一个数字,需要测试69次才能找到答案,而量子计算机只需一次就能找到答案。

       在计算机中,用一个自旋粒子表示数字——许多基本粒子都具有自旋的本性,要么自西向东转,要么自东向西转。当一个粒子自东向西自旋时,就代表0,当它自西向东转时就代表1。因此一个二进制数就可以用一序列的自旋粒子来表示。比如有七个粒子,根据这七个粒子的自旋方向,就能组成0000000—1111111之间的任何数字。及十进制的0~127。

       在传统计算机中,我们要先输入七个粒子的自旋方向,向西、向西、向西、向西、向西、向西、向西、向东,这代表0000001,十进制1。然后等待计算结果,如果不满足判别条件又继续输入,0000010,十进制2,以此类推。逐个进行。

       量子计算机中,要比这快得多。因为使用的都是基本粒子,都遵守量子物理定律。因此,当一个粒子没被观察到时,它就处于重叠状态。也就是说,它同时在向东或向西自旋,它可以同时代表0和1。或者说这个粒子同时在两个宇宙中,一个宇宙中在向西自旋,代表0;另一个宇宙在向东自旋,代表1。

       通过下面操作使粒子达到重叠态。我们先观察一个粒子,它的自旋方向是向东,我们可以放出一个足够大的脉冲能量,改变它的自旋方向,由东向西自旋。但如果我们放出一个不够大的脉冲能量,有时粒子会反向,但有时粒子不会反向,仍向东自旋。到这时,我们仍清楚地观察着粒子的状态,但如果我们把这个粒子放进一个暗盒里面,让我们观察不到它,然后向它施加一个弱的脉冲能量,这个粒子即有可能向东自旋,也有可能向西自旋,粒子处于重叠态。

     如果我们把七个粒子都放进暗盒,然后放出七次弱的脉冲能量作用于它们,则这七个粒子都处于重叠态。它们代表了128种不同的状态,或者说代表了128个不同的数字。把这七个粒子输入计算机,它们仍保持重叠态,然后计算机运行计算程序,计算机就同时测试了128个数,只付出一次代价就完成了128次运算。得到了结果69。如果传统计算机每计算一次需要1秒,那么需要69秒才能得到结果,而量子计算机只需要1秒就能得到答案。

     如果我们可以一次放入250个自旋粒子,大约代表10^75种,组合,这比宇宙中的原子还多;如果250个粒子处于重叠态,计算机能同时运行10^75次运算程序,只需一秒就完成传统计算机需要10^75秒才能完成的计算。

    看到了吧,量子计算机的威力是难以想象的,总的来说就是大杀器。一旦量子计算机投入使用,人类现有的所有密码都会被量子计算机用穷举法破解,现有通讯手段根本无秘可保,统统变成明码通讯。无论哪一方首先拥有量子计算机,他都可以任意监控对手的通讯。

    量子计算机面临的最大难题是,如何维持粒子的重叠态,任何的一种对重叠态的外部作用都属于观测,就会使重叠态遭到破坏,转变成一种独立状态,使量子计算失败。

看到这里估计有同学就不淡定,那还得了,那以后银行卡密码都被人知道了。怎么办?
不用担心,这就说到TG这次发射的量子卫星了。先说说为什么她是安全的。先从量子密码扯起。


        人类第一颗量子卫星上天了,结果地面上的人类全TM凌乱了。有砖家跳出来大声疾呼骗钱无用的,有小号马甲冷嘲热讽说是浪费人民血汗钱的。广大吃瓜群众一边吃瓜一边表示天儿太热,量子什么的什么鬼,不要妨碍我围观王宝强离婚。

       本来嘛,作为早就脱离了低级趣味的我国群众,平时主要关注具有高尚情操的热点新闻,比如最近开展的新婚姻法全国普法行动之类,量子什么鬼,一般人要是在朋友聚会时大谈这种话题,那不是伪娘就是GAY,一个字,不会聊天。

       但为了增强广大人民群众的辨别能力,我在这里当一次搬运工,和大家一起认识认识到底什么是量子密码、量子通讯。
这两天关于量子卫星的新闻都在围绕一个焦点报导,即以量子卫星为标志的新一代通讯系统将带来无可比拟的安全性。那就让我们先从密码说起。

      先说信息安全的重要性,相信这个大家都能明白,银行卡密码能乱说吗,不能。

      问题来了,银行卡放家里了,你媳妇要取钱,跑来问你银行卡密码,这时你正好和一大帮人站在一起,直接说大家就都知道了,这怎么办。你灵机一动,告诉你媳妇:银行卡密码+你的生日-100000=123456。于是你媳妇就知道密码了。

      现在让我们来看一下,在这个例子里,你和你媳妇是信息的发送者和接受者,而旁边站着的一堆人就是偷听者,你想对你媳妇传递的信息,也就是银行卡密码的具体内容我们管它叫明文;而只有你媳妇知道她的生日日期,这就是密钥。银行卡密码+你媳妇生日-100000,这就是加密算法。经过加密得到的密文就是123456。

      你媳妇知道她的生日是89年3月17日,在得到密文以后,用123456+100000-890317=-666861于是知道了银行卡密码是666861,也就是明文的内容。而旁边的偷听者因为不知道你媳妇的生日,所以还是得不到明文的内容。整个过程如下图:

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2016-8-19 17:15 上传



     在这个例子里有很重要的一点,加密的算法你是当众讲出来的,大家都知道,而偷听者不知道密钥,所以无法得到明文的内容。也就是你家的银行卡密码。
这是密码学中非常重要的一点:一个密码系统的安全性不在于对加密算法进行保密,而仅在于对密钥的保密。

     因为更换加密算法成本巨大,耗时很长,而加密算法又是很可能被窃听者所获得的,比如好莱坞电影《猎杀U571》,美国人去抢夺德国人的密码机,就是为了获得德军密码的算法。而对于许多商业密码,算法更是公开的,大家都知道。但是偷听者没有密钥,还是得不到明文的内容。

       与算法相对立,密钥是频繁更换的,密钥的重要性是密码学中一条永久的原则。除了对密钥保密以外,一个安全的密码系统还必须有一个大范围的密钥可供选择,例如,你媳妇的生日,后四位数字只有365种可能,前两位数字,可以根据估算你老婆的年龄,范围确定在5个数字之间。也就是说密钥范围只有5*365=1825个。用穷举法可以很快尝试所以的密钥。
靠谱的密码系统密钥范围那可是相当的大,如果想用穷举法破解,用普通计算机那是动不动就需要一百好几十年的。说到这里,有同学就不服气了,普通计算机不行,那咱就用超算啊,TG家不是有全世界最快的超算吗,怕个鸟。确实,在强大的计算能力面前密码就显得没那么牢固了。本来要一百好几十年才能找到正确的密钥,结果变成几天就能找到了。

      不过运算能力的提高相对而言是很困难的,而加密者扩大密钥的范围则简单多了。那RSA密码举例,加密者只需要增加密钥的长度,就可以极大的增加穷举算法的运算量。因此破译密码靠穷举法一般是不行的。几十年后破译出二战某艘潜艇某天的航向和位置,还有军事价值吗?

       那就没办法了吗,当然不是,办法还是有的。比如通过数学方法找出密码算法中的弱点,可以通过密文得到密钥和明文。最经典的例子莫过于盟军二战破译德国恩尼格玛密码。有兴趣的朋友可以去搜一搜相关资料。在此就不赘述了。

       还有更简单的,你不是要加密吗,爷不准你加不就得了。比如1993年的时候FBI就找上了PGP密码的发明人,齐默尔曼,准备告他非法出口武器。没错,美国政府把加密系统列为武器,和导弹、大炮、枪支一样。对于软件产品,美国国内的密钥长度是没有限制的,不过出口到国外的,只能用长度较短的密钥,具体短到什么程度,主要看美国NSA的计算机有多大的运算能力了。要是赶上哥们换电脑慢点,那对不起,您的密钥也就短点吧。

     不过不是所有偷听者都有美国政府这么牛气,运算能力不够的问题还是存在,要想从一个很大的范围里找到真确的密钥,破译者就需要更快的计算机。于是,量子计算机就被提出来了。

      那什么是量子计算机呢。好吧,让我们一起来面对一些让人晕头转向的理论吧。

      让我们先从18世纪的托马斯。杨说起,这位仁兄大家肯定不陌生,高中物理大家都学过他,估计恨他的也不少。没错,就是写《光的波动理论》那位。当年这位做了一个实验,在一张不透光的纸上,用手术刀切了两个平行的口子,在纸的背后放了一个光源,然后在纸前方一定距离的地方放了一个屏幕,屏幕上形成了扇状分布,明暗相间的光斑。这就是光的干涉。是两个光波相遇,波峰遇见波峰相互增强就形成亮斑,波谷遇见波峰相互抵消形成暗斑。

     不过光具有波粒二象性,如果我们的光源可以每次只发出一个光子,会观测到什么结果呢?想来至少要两个光子同时从左右两个不同的口子穿过去,才能产生干涉作用,所以单个光子穿过缝隙应该是无法观察到干涉现象的。然而,出乎科学家们的预料,当只有一个光子穿过缝隙时,也能产生明暗相间的光斑,也就是像有很多光子发生的干涉现象。这下就TM尴尬了。这种现象该怎么解释呢?

      于是有人就说,这个光子即有可能从左边的缝隙穿过去,也有可能从右边的缝隙穿过去,由于我们不知道它到底是从哪个缝隙穿过去的,所以我们假定它同时穿过了两个缝隙。
      我知道现在有人已经在骂了:这么不要脸的话您也说的出口,但请各位围观群众冷静,那帮科学家真这么解释的。

       光子的从左边还是右边穿过去的,每种可能性称为一种状态,因为光子满足这两种可能性,所以它处于两种可能性的重叠状态。这就是叠加理论。那位感情生活十分丰富的薛定谔,创立的“薛定谔的猫”理论就经常被用来帮助理解重叠状态理论的概念。这个相信大家都知道。

       这么TM不靠谱的理论,当然会有人不相信了。于是就有人提出了另一种解释,说是在光子穿过的那一刻,宇宙突然分成了两个宇宙,一个宇宙里,光子从左边穿了过去,另一个宇宙里光子从右边穿了过去,然后两个宇宙以某种方式相互干涉,形成光斑。这就是多元宇宙论。嗯,是不是比上一种理论好点?

      不管这两种理论看上去多么不靠谱,但只有量子理论才能解释太阳为什么发光,才能计算核反应堆的反应结果,以及制造出你面前电脑里的CPU。

       而所谓量子计算机,就是根据量子物理定律进行操作的计算子。比如你有一个问题,这个问题有两种形式,在普通计算机上,你只能现将第一种形式输入进去,然后等待答案,接着输入第二种形式,再得到答案。也就是说,在普通计算机上,一台计算机一次只能处理一个问题,有多个问题时,只能逐个处理。

     但是如果用量子计算机,这个问题就被合并成具有两种状态的叠加,然后同时输入计算机,接着计算机本身就进入两种状态的重叠状态,一种状态就是一个问题。如果用多元宇宙理论解释,就是计算机同时在两个宇宙运算,在不同的宇宙运算问题的每一个形式。总之,量子计算机可以同时处理这个问题的两种形式。

    举个例子,如果要求一个X,X^2和X^3一共用到了阿拉伯数字0到9一次,且仅有一次。例如当X=19,19^2=361;19^3=6859,就会发现19不满足条件,因为结果里只有阿拉伯数字1、3、5、6、6、8、9,缺了数字0、2、4、7,而数字6出现了两次。

     传统计算机算法,为了解决这个问题不得不先尝试数字1,得到结果然后与判别条件比较,看这个数字是否符合标准。数字1不符合,然后尝试数字2,以此类推。直到找到符合条件的数字69。传统计算机一次只能测试一个数字,需要测试69次才能找到答案,而量子计算机只需一次就能找到答案。

       在计算机中,用一个自旋粒子表示数字——许多基本粒子都具有自旋的本性,要么自西向东转,要么自东向西转。当一个粒子自东向西自旋时,就代表0,当它自西向东转时就代表1。因此一个二进制数就可以用一序列的自旋粒子来表示。比如有七个粒子,根据这七个粒子的自旋方向,就能组成0000000—1111111之间的任何数字。及十进制的0~127。

       在传统计算机中,我们要先输入七个粒子的自旋方向,向西、向西、向西、向西、向西、向西、向西、向东,这代表0000001,十进制1。然后等待计算结果,如果不满足判别条件又继续输入,0000010,十进制2,以此类推。逐个进行。

       量子计算机中,要比这快得多。因为使用的都是基本粒子,都遵守量子物理定律。因此,当一个粒子没被观察到时,它就处于重叠状态。也就是说,它同时在向东或向西自旋,它可以同时代表0和1。或者说这个粒子同时在两个宇宙中,一个宇宙中在向西自旋,代表0;另一个宇宙在向东自旋,代表1。

       通过下面操作使粒子达到重叠态。我们先观察一个粒子,它的自旋方向是向东,我们可以放出一个足够大的脉冲能量,改变它的自旋方向,由东向西自旋。但如果我们放出一个不够大的脉冲能量,有时粒子会反向,但有时粒子不会反向,仍向东自旋。到这时,我们仍清楚地观察着粒子的状态,但如果我们把这个粒子放进一个暗盒里面,让我们观察不到它,然后向它施加一个弱的脉冲能量,这个粒子即有可能向东自旋,也有可能向西自旋,粒子处于重叠态。

     如果我们把七个粒子都放进暗盒,然后放出七次弱的脉冲能量作用于它们,则这七个粒子都处于重叠态。它们代表了128种不同的状态,或者说代表了128个不同的数字。把这七个粒子输入计算机,它们仍保持重叠态,然后计算机运行计算程序,计算机就同时测试了128个数,只付出一次代价就完成了128次运算。得到了结果69。如果传统计算机每计算一次需要1秒,那么需要69秒才能得到结果,而量子计算机只需要1秒就能得到答案。

     如果我们可以一次放入250个自旋粒子,大约代表10^75种,组合,这比宇宙中的原子还多;如果250个粒子处于重叠态,计算机能同时运行10^75次运算程序,只需一秒就完成传统计算机需要10^75秒才能完成的计算。

    看到了吧,量子计算机的威力是难以想象的,总的来说就是大杀器。一旦量子计算机投入使用,人类现有的所有密码都会被量子计算机用穷举法破解,现有通讯手段根本无秘可保,统统变成明码通讯。无论哪一方首先拥有量子计算机,他都可以任意监控对手的通讯。

    量子计算机面临的最大难题是,如何维持粒子的重叠态,任何的一种对重叠态的外部作用都属于观测,就会使重叠态遭到破坏,转变成一种独立状态,使量子计算失败。

看到这里估计有同学就不淡定,那还得了,那以后银行卡密码都被人知道了。怎么办?
不用担心,这就说到TG这次发射的量子卫星了。先说说为什么她是安全的。先从量子密码扯起。
楼主,普利日够昂!


     上一回说到,量子计算机是一个又黄又暴力的存在,在它强大的计算能力面前,破密码就跟撕信封一样不费劲。那是不是有了量子计算机,人类就无秘可保了呢。当然不是,事实上早就有一种密码,它是从数学上被证明了的,无法破解和绝对安全,这就是:一次性便签密码。

       一次性便签密码,就是密钥和明文等长的一次性随机替换密码。我知道,这个还是很拗口,说了等于没说。让我们慢慢来看。

     使用一次性便签密码的第一步,是编辑一本很厚的小册子,每一页都是由随机排列的字母组成,并作为一个独一无二的密钥。
这本册子由两本,一本给发送者,一本给接受者。

     当发送者把明文写好后(我们假定明文是用英文写的,方便解释),他就拿出小册子,翻到第一页。用小册子上的第一个字母作为密钥加密明文的第一个字母,用小册子上的第二个字母加密明文的第二个字母,以此类推,直到把整篇明文加密完毕。也就是说,明文中的每一个字母都使用了一个单独的密钥。

       而接受者在收到密文后,也拿出小册子,对着上面的密钥一个个的把明文解密。当小册子上的密钥被使用一次以后,就撕掉,不再使用,这就叫一次性便签密码。
这种密码系统为什么安全呢,首先它的密钥范围很大,一篇只有21个字母的密文,它的密钥长度也是21个字母,大约是5*10^29个可能的密钥需要去测试。其次,就算有了量子计算机,可以测试每一个密钥,还会出现另一种情况。破译者得到了所以得信息,但不知道哪一条才是真正的信息。例如:

两条消息的密文是一样的,但是根据不同的密钥,能得出不同的明文。第一条的明文是“Attack the valley at dawn”,凌晨攻击山谷。
第二条明文是“Defend the hill at sunset”,日落前守住山头。
这到底该信谁的?

       一次性便签密码的安全性,在于密钥的随机性,密钥与密文等长,而且没有任何模式,任何结构,破译者也就没有了任何突破的地方。就像前面提到过的,从数学上可以证明这种加密方法是无法破解的。

那问题来了,早知道有这样的密码,干嘛不用呢。不是不想用,实在是用起来太麻烦。

       首先,要生成这么多的密钥就很麻烦。一支军队每天需要上百万个字母的密钥,怎么提供如此数量又完全随机的密钥?即使你能够产生如此数量的密钥,第二个问题又来了,就是如何分发它们。上千个接受者和发送者,要开始收发信息,必须每人有一本完全相同的密钥手册,在密钥用完以后,新的手册又必须同时发到大家手上。这样,敌人只要捕获一本手册,那整个系统就瘫痪了。

一次性便签密码只能使用在极特殊的情况下。通信双方需要绝对的安全保障,并能够承受制造和分发密钥的巨大消耗。例如,国家元首之间的热线。而量子密码正是解决了一次性便签密码密钥制造和分发的问题。


     上一回说到,量子计算机是一个又黄又暴力的存在,在它强大的计算能力面前,破密码就跟撕信封一样不费劲。那是不是有了量子计算机,人类就无秘可保了呢。当然不是,事实上早就有一种密码,它是从数学上被证明了的,无法破解和绝对安全,这就是:一次性便签密码。

       一次性便签密码,就是密钥和明文等长的一次性随机替换密码。我知道,这个还是很拗口,说了等于没说。让我们慢慢来看。

     使用一次性便签密码的第一步,是编辑一本很厚的小册子,每一页都是由随机排列的字母组成,并作为一个独一无二的密钥。
这本册子由两本,一本给发送者,一本给接受者。

     当发送者把明文写好后(我们假定明文是用英文写的,方便解释),他就拿出小册子,翻到第一页。用小册子上的第一个字母作为密钥加密明文的第一个字母,用小册子上的第二个字母加密明文的第二个字母,以此类推,直到把整篇明文加密完毕。也就是说,明文中的每一个字母都使用了一个单独的密钥。

       而接受者在收到密文后,也拿出小册子,对着上面的密钥一个个的把明文解密。当小册子上的密钥被使用一次以后,就撕掉,不再使用,这就叫一次性便签密码。
这种密码系统为什么安全呢,首先它的密钥范围很大,一篇只有21个字母的密文,它的密钥长度也是21个字母,大约是5*10^29个可能的密钥需要去测试。其次,就算有了量子计算机,可以测试每一个密钥,还会出现另一种情况。破译者得到了所以得信息,但不知道哪一条才是真正的信息。例如:

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2016-8-19 17:59 上传

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2016-8-19 17:59 上传


两条消息的密文是一样的,但是根据不同的密钥,能得出不同的明文。第一条的明文是“Attack the valley at dawn”,凌晨攻击山谷。
第二条明文是“Defend the hill at sunset”,日落前守住山头。
这到底该信谁的?

       一次性便签密码的安全性,在于密钥的随机性,密钥与密文等长,而且没有任何模式,任何结构,破译者也就没有了任何突破的地方。就像前面提到过的,从数学上可以证明这种加密方法是无法破解的。

那问题来了,早知道有这样的密码,干嘛不用呢。不是不想用,实在是用起来太麻烦。

       首先,要生成这么多的密钥就很麻烦。一支军队每天需要上百万个字母的密钥,怎么提供如此数量又完全随机的密钥?即使你能够产生如此数量的密钥,第二个问题又来了,就是如何分发它们。上千个接受者和发送者,要开始收发信息,必须每人有一本完全相同的密钥手册,在密钥用完以后,新的手册又必须同时发到大家手上。这样,敌人只要捕获一本手册,那整个系统就瘫痪了。

一次性便签密码只能使用在极特殊的情况下。通信双方需要绝对的安全保障,并能够承受制造和分发密钥的巨大消耗。例如,国家元首之间的热线。而量子密码正是解决了一次性便签密码密钥制造和分发的问题。
chj321 发表于 2016-8-19 18:00
上一回说到,量子计算机是一个又黄又暴力的存在,在它强大的计算能力面前,破密码就跟撕信封一样不费 ...
这个叫对称加密。但是在实际中,受制于现有计算能力,无法实现啊。
狗昂,背背
你用不起 完毕
量子通讯是安全是由物理特性决定的,除非人类以后技术发展了,能突破量子的物理特性了就不安全了,不过等到那一天,我们已经先富起来了,让别人继续追呗。
卧槽,看不懂了。不过中国的量子通讯的研究成果取得不错的成绩,期待国产量子计算机也早点研制出来。
2016-8-20 00:21 上传

2016-8-20 00:26 上传


上图显示的是这样一序列光子在传送给鲍勃的途中。


        过程2,鲍勃要测出这些光子的偏振方向。由于他不知道艾丽丝对每个光子使用的是哪一种偏振方案,他只能交换尝试“+型检测器”和“X型检测器”。有时鲍勃挑选的是正确的检测器,有时他的选择有时错误的。如果鲍勃用错了检测器,那他也会错判艾丽丝发出的光子的偏振方向。

       下表列出了所有可能性。比如在上面的一行里,艾丽丝用直线式方案发出1,那么传送的是↑光子;那么鲍勃用了正确的检测器,所以他检测出是↑光子,正确地记录下这个序列的第一个比特是1。在下一行里,艾丽丝采用了相同的方案,但鲍勃用错了检测器,所以他可能检测出↗光子或↖光子,这就意味着他可能正确地记录下1或者错误地记成0。


       过程3,这个时候,艾丽丝已经发出一个序列的1和0,鲍勃也正确和不正确地检测了一部分。为了使状况明了,艾丽丝通过普通的不安全的电话线打电话给鲍勃,告诉鲍勃她对每一个光子用的是哪一种偏振方案——但不告诉每一个光子具体的偏振方向。然后鲍勃告诉艾丽丝他猜对了哪一个比特的偏振方案。他肯定测对了这些比特偏振方向的,而且正确地标记出是代表1还是0。最后艾丽丝和鲍勃舍去了鲍勃用错误的方案测量的光子,把他用对了方案测出的集中起来。结果他们得到了一个新的短一些的比特序列,由鲍勃测出的正确结果组成。

      经过这三个过程,艾丽丝和鲍勃得到一系列普通的阿拉伯数字,例如序列11001001。这个序列最重要的性质是它是随机的,因为它来源于最初艾丽丝发出的序列,那个序列也是随机的。此外,鲍勃使用正确的检测器的时机也是随机的。这个经过协商同意的序列并不含有信息,但它成为一个随机产生的密钥。最后,真正安全的加密步骤可以开始了。
这个达成一致的随机产生的序列可以被用作一个“一次性便签密码”的密钥,使你产生一个不可破解的密码——是数学上的不可能。


        过程2,鲍勃要测出这些光子的偏振方向。由于他不知道艾丽丝对每个光子使用的是哪一种偏振方案,他只能交换尝试“+型检测器”和“X型检测器”。有时鲍勃挑选的是正确的检测器,有时他的选择有时错误的。如果鲍勃用错了检测器,那他也会错判艾丽丝发出的光子的偏振方向。

       下表列出了所有可能性。比如在上面的一行里,艾丽丝用直线式方案发出1,那么传送的是↑光子;那么鲍勃用了正确的检测器,所以他检测出是↑光子,正确地记录下这个序列的第一个比特是1。在下一行里,艾丽丝采用了相同的方案,但鲍勃用错了检测器,所以他可能检测出↗光子或↖光子,这就意味着他可能正确地记录下1或者错误地记成0。

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2016-8-20 00:38 上传



       过程3,这个时候,艾丽丝已经发出一个序列的1和0,鲍勃也正确和不正确地检测了一部分。为了使状况明了,艾丽丝通过普通的不安全的电话线打电话给鲍勃,告诉鲍勃她对每一个光子用的是哪一种偏振方案——但不告诉每一个光子具体的偏振方向。然后鲍勃告诉艾丽丝他猜对了哪一个比特的偏振方案。他肯定测对了这些比特偏振方向的,而且正确地标记出是代表1还是0。最后艾丽丝和鲍勃舍去了鲍勃用错误的方案测量的光子,把他用对了方案测出的集中起来。结果他们得到了一个新的短一些的比特序列,由鲍勃测出的正确结果组成。

      经过这三个过程,艾丽丝和鲍勃得到一系列普通的阿拉伯数字,例如序列11001001。这个序列最重要的性质是它是随机的,因为它来源于最初艾丽丝发出的序列,那个序列也是随机的。此外,鲍勃使用正确的检测器的时机也是随机的。这个经过协商同意的序列并不含有信息,但它成为一个随机产生的密钥。最后,真正安全的加密步骤可以开始了。
这个达成一致的随机产生的序列可以被用作一个“一次性便签密码”的密钥,使你产生一个不可破解的密码——是数学上的不可能。
一次性便签密码唯一的问题是安全分发密钥的困难,量子密码解决了这个问题,是收发双方得到了一致的随机序列,并且量子物理定律使偷听者根本不可能成功截获密钥,此外量子密码还有一个额外的好处:收发信息的双方利用这个方法可以发现偷听者是否在窃听,因为她每测一次光子就会冒改动光子偏振方向的风险,这些改动对于收发双方来说,太明显了。偷听者伊芙会造成接受者鲍勃子在用了正确的检测器的情况下,测到错误的结果。
       当艾丽丝和鲍勃进行短暂的错误检测程序时,就能发现这些错误。

      假设双方已经确定了1075位的二进制数序列。如果艾丽丝和鲍勃检查各自的序列是否相符的方法是艾丽丝打电话给鲍勃,并把她的完整序列告诉鲍勃。但如果伊芙正好在窃听,她就能截取到完整的密钥。检查全部序列是冒险的,也是没必要的。艾丽丝只需随机检查其中75位数,由于这75位数是在不安全的线路上讨论过的,所以这些数要舍去,这样他们的一次性便签就从1075位二进制数减为1000位。如果艾丽丝和鲍勃发现这75位数中出现矛盾的地方,那他们可以判断伊芙在偷听,他们就会放弃整个一次性便签,换一条新的线路,从头开始。
看的一脸盟逼,只希望中国早日把量子计算机捣鼓出来
……这个看得懂一点点…………绝大多数是懵逼
……这个看得懂一点点…………绝大多数是懵逼
发这个帖子的初衷是想宣传有些关于量子密码,量子通讯、量子计算机的常识,主要是现在网上胡说八道,颠倒黑白的小号太多,希望大家对有些故弄玄虚,狗屁不通的帖子有辨别能力。帖子内容很多并非我原创,照搬的书上的。   有些地方可能省略较多,看起来不太清楚,还请见谅
那个牌的的例子居然帮助我看懂了,可是银行卡密码的算式我咋算不对腻:银行卡密码+你的生日-100000=123456;银行卡密码+你的生日=123456+100000;银行卡密码+你的生日=223456,不可能呀生日是8几开头,结合文意,银行卡是个负数,而且也不对,这个算法有问题!
摆明是星战二了。,。。。。。
不可破解的密码,相当于一个和明文长度相同的随机序列,然后和明文进行亦或运算,产生秘文,解密就是进行两次亦或运算?是个意思吗?这个技术的关键在于随机序列的安全传送,量子技术解决了这点?
看起来很牛比的样子
优秀科普文章。荐读。
太厉害了楼主
太厉害了楼主
不可破解的密码,相当于一个和明文长度相同的随机序列,然后和明文进行亦或运算,产生秘文,解密就是进行两 ...

嗯,是我搞错了。谢谢指出,我改了
感谢科普,虽然我还是看不懂
2016-8-20 08:36 上传



现在你写完了一封信,信的长度是1024个字母,同时你也有一个1024个字母长的随机序列。你开始着手用这个随机序列作为密钥加密你的信。

       比如你信的第一个单词是“THE”。随机序列中前三个字母是jsf。你查上表,表格中"T"这一行,“j”这一列,对应的字母是'"D";“H”这一行,“s”这一列对应的是“A”;
"E"这一行,“f”这一列对应的字母是“K”;于是单词“THE”加密以后的密文就是“DAK”。以此类推,直到整封信的内容被全部加密。

      收信方,拿到密文以后,拿出和你一样的随机序列。然后查上表,就可以得到明文内容,比如对方看到随机序列第一个字母是“j”,密文第一个字母是“D”,于是找到表中“j”这一
列的“D”在哪一行,查表可知“D”位于“T”行。可知,明文第一个字母为T。

     这里有几点很重要,第一,密钥要和明文等长,第二,密钥必须是随机的,第三,每个密钥只是用一次用后即毁。这才能保证加密的安全。如果密钥和明文不等长,比如明文长度有1000个字母,而密钥只用5个字母长度。那会出现什么情况呢。1000/5=200。也就是说可以把这1000个字母分为5组。每一组都是用同一个密钥加密的。每组中含有200个字母。于是破译者的机会来了。分析这200个字母的出现频率,然后与标准的频率分布相比较,就可以找到对应的明文字母。所以密钥长度必须和明文等长。

    第二,密钥必须是随机的,不能有任何结构。直观上大家会觉得这还不简单。我随便在键盘上乱敲不就得到随机序列了吗。事实上,这不是随机的。打字的时候,会有一个习惯,左手先敲击一个字母,再右手敲击一个字母。这样产生的序列是可以预测的。比如你先敲击了一个D,那么后一个是S和F的概率就很小,有很大可能是出现的键盘的右半区域。如果序列是完全随机的,那么每一个字母出现的几率应该是一样的。这种随机序列最好是依靠随机的物理过程来创立。比如,在工作台上放一块放射性物质,利用盖革计数器来测放射性,在盖革计数器上连接一个显示器,显示器上以一定速率循环显示字母表中的字母,一旦检测到放射性,就记录下显示器上的字母,如此生成一个随机的字母序列。因为放射性具有真正的随机性,这才能保证得到一个真正随机的密钥。

   第三,密钥不能重复使用。重复和循环是密码中的大忌,这会使敌方更容易的破译密码。举个例子。敌方截获了1000条你的电报。每条电报都只有30个字母。你用的密钥长度也是30个字母长。但是你都是用同一条密钥加密的。这时候你每一封电报的第一个字母都是用同一个密钥加密的,这就变成了单字母替换密码,同样的,敌方只要对这1000个字母进行频率分析,就能得到明文。

   由上述三点你就会明白,一次性便签密码要消耗数量巨大的随机秘钥,而随机秘钥的制造还不那么方便。巨大的消耗同时还带来了分发上的困难,必须经常向通讯双方分发大量的密钥。而密钥在分发过程中万一被敌方截获怎么办?量子密码就解决了这个问题,通讯双方利用光子的偏振,在每次通讯前生成一段随机密钥,仅用于本次通讯,做到了一次一密。

g709983@mvrht.c 发表于 2016-8-20 09:35
科普:所谓的量子通信的问题点

1:首先,现在根本不存在真的利用量子纠缠原理的量子通信,都是掛羊头卖狗肉, ...
关于量子通讯的重要性,我相信,在看完这个帖子之前的内容之后,大家都会有自己的判断,而且我相信大多数人的判断都会趋于一致:量子通讯是未来我国通讯系统的安全基石。

至于信息安全的重要性,如果你理解不了的话,我不介意帮你修一次电脑


g709983@mvrht.c 发表于 2016-8-20 09:35
科普:所谓的量子通信的问题点

1:首先,现在根本不存在真的利用量子纠缠原理的量子通信,都是掛羊头卖狗肉, ...


本次量子卫星,既要试验量子密钥分发,也要试验量子隐形传输。

至于最近吵得沸沸扬扬的一偷听量子通讯就没办法用,是一种误读,前面的主贴其实已经介绍过了。不过估计那么长你也没耐心看完,这里就再解释一下吧。

量子密码的通讯双方在发送密文之前,需要利用光子生成一段与明文等长的密钥,在生成了密钥之后,再用密钥将明文加密成密文。网上吵吵的被窃听就无法通讯,其实说的是生成密钥这个阶段。

在用光子生成密钥时,如果有偷听者,通讯的接受一方就会发现,测量光子的偏振方向得到了错误的结果,也就会意识到线路被偷听了。那这个时候怎么办呢?

先不说怎么办,我先吐个槽,现在的通讯线路(比如光纤,第一次知道光纤也会被窃听吗,那我要告诉你这个已经是自古以来了)被偷听了怎么办。不管窃听的,咱俩继续聊?还是就通讯瘫痪了?要不咱们试试换条线路继续聊。

就不能动动脑子想点有内涵的黑点?给你出个思考题,要是我是偷听者,我往线路中放进一个我自己的光子,会是什么情况。说实话我一直期盼着拿这个说事儿的砖家呢。然而砖家们令我很失望。

量子通讯其实已经在研究过程中已经有过很多改进了,科研人员在不停地发现问题解决问题,唯一不容置疑的是量子通讯绝对代表着正确的发展方向,代表着先进的通讯方式。

至于担心信号衰减的,真要说声谢谢了,不过这个不用操心,技术在不断进度,量子密码交换从最初的只有30CM距离,到现在的上百公里,技术在不断进步,现在已经到了商用化的门槛了。不是说了吗,5年内重要部门用上,10年内给你手机里也用上。(不过这个说实话要打个问号,都量子了,还怎么查水表、送快递啊)

g709983@mvrht.c 发表于 2016-8-20 09:35
科普:所谓的量子通信的问题点

1:首先,现在根本不存在真的利用量子纠缠原理的量子通信,都是掛羊头卖狗肉, ...


本次量子卫星,既要试验量子密钥分发,也要试验量子隐形传输。

至于最近吵得沸沸扬扬的一偷听量子通讯就没办法用,是一种误读,前面的主贴其实已经介绍过了。不过估计那么长你也没耐心看完,这里就再解释一下吧。

量子密码的通讯双方在发送密文之前,需要利用光子生成一段与明文等长的密钥,在生成了密钥之后,再用密钥将明文加密成密文。网上吵吵的被窃听就无法通讯,其实说的是生成密钥这个阶段。

在用光子生成密钥时,如果有偷听者,通讯的接受一方就会发现,测量光子的偏振方向得到了错误的结果,也就会意识到线路被偷听了。那这个时候怎么办呢?

先不说怎么办,我先吐个槽,现在的通讯线路(比如光纤,第一次知道光纤也会被窃听吗,那我要告诉你这个已经是自古以来了)被偷听了怎么办。不管窃听的,咱俩继续聊?还是就通讯瘫痪了?要不咱们试试换条线路继续聊。

就不能动动脑子想点有内涵的黑点?给你出个思考题,要是我是偷听者,我往线路中放进一个我自己的光子,会是什么情况。说实话我一直期盼着拿这个说事儿的砖家呢。然而砖家们令我很失望。

量子通讯其实已经在研究过程中已经有过很多改进了,科研人员在不停地发现问题解决问题,唯一不容置疑的是量子通讯绝对代表着正确的发展方向,代表着先进的通讯方式。

至于担心信号衰减的,真要说声谢谢了,不过这个不用操心,技术在不断进度,量子密码交换从最初的只有30CM距离,到现在的上百公里,技术在不断进步,现在已经到了商用化的门槛了。不是说了吗,5年内重要部门用上,10年内给你手机里也用上。(不过这个说实话要打个问号,都量子了,还怎么查水表、送快递啊)
chj321 发表于 2016-8-20 10:28
量子纠缠态是说的量子隐态传输,和量子密码不是同一概念。本次量子卫星,既要试验量子密钥分发,也要试 ...
<<<在用光子生成密钥时,如果有偷听者,通讯的接受一方就会发现,测量光子的偏振方向得到了错误的结果,也就会意识到线路被偷听了。那这个时候怎么办呢?>>

2:量子通信必然要用到单光子,表示信号非常弱,根本传不远,一般通信是用中继放大器,但是量子通信的不可克隆性禁止了中继放大器的存在,所以只好把脑筋放到卫星上,只是卫星下传的还是单光子,讯号一样很弱,很容易被云层雨挡掉,通信变成看天吃饭,天气晴的时候可以讲的很高兴,一下雨就变哑巴,解决办法就是多打一些单光子多光子必然有损失, 你就搞不懂自己打出去的光子是被人偷看了还是被大自然的东西偷看了,所谓的“只要有窃听我就能发现”也没了,其实激光通信这种高指向性的东西本来就有很多方法晓得有没有被偷听不需要用到连爱因斯坦都不懂的量子纠缠真正需要“只要有窃听我就能发现”的是指向性很低的无线电通信, 用光子的量子通信根本无能为力,

chj321 发表于 2016-8-20 09:50
关于量子通讯的重要性,我相信,在看完这个帖子之前的内容之后,大家都会有自己的判断,而且我相信大多数 ...
看了我的文章後大家就會曉得為何潘健偉的師傅在歐洲美國拿不到經費
淪落到中國幫中國搞墨子量子通信衛星
g709983@mvrht.c 发表于 2016-8-20 10:35
还被大自然偷看了都出来了,不要无理取闹,总是重复重复啥意思? DDOS?
楼主科普的是现在已经公开的理论。在现在已经公开的理论体系里,量子加密不可破。但是理论是发展的,如果西方发展出新理论,破了量子加密却不公开,中国的量子加密就成裸奔了。

牛顿和爱因斯坦的理论体系都被突破了,波尔早晚也有这一天。
感谢楼主的科普!我一直就觉得所谓量子通讯就是挂羊头卖狗肉,只是一直没搞明白它的原理。现在看来叫做光偏振检测通讯更实在,只不过量子二字听起来高大上。

话说,量子计算机真的可行吗?如果没有量子计算机,那么所谓量子通讯就没有意义--现在的密码是常规计算机不可能有效破译的。只有量子计算机出现了,光偏振检测通讯才是有意义的。

当然,现在把这种通讯模式当做一种科学研究,那还是非常有用的--万一哪天真有量子计算机了呢?
感谢楼主的科普!我一直就觉得所谓量子通讯就是挂羊头卖狗肉,只是一直没搞明白它的原理。现在看来叫做光偏振检测通讯更实在,只不过量子二字听起来高大上。

话说,量子计算机真的可行吗?如果没有量子计算机,那么所谓量子通讯就没有意义--现在的密码是常规计算机不可能有效破译的。只有量子计算机出现了,光偏振检测通讯才是有意义的。

当然,现在把这种通讯模式当做一种科学研究,那还是非常有用的--万一哪天真有量子计算机了呢?
g709983@mvrht.c 发表于 2016-8-20 10:35
我先引用一段你刚才发的

”1:首先,现在根本不存在真的利用量子纠缠原理的量子通信,都是掛羊头卖狗肉,实际的讯息并没有被量子加密,被量子加密的是金钥,所以讯息本身还是可以被传统方法破解的,并不是不可破解,用的加密法也不是连爱因斯坦都不懂的量子纠缠,只是用偏振光加密勉强和量子沾得上边,用个没几个看的懂的量子通信这名称,比较高大上好唬人“

你没理解量子密码是怎么回事。先把一次性便签密码、艾丽丝和鲍勃怎么利用扑克牌生成密钥弄明白,你就理解为什么量子密码具有无可比拟的安全性了。

明白个原理就好了。至于技术细节(咱们先不谈你说的那些是否正确),我认为你需要改变一下思维方式。卫星上天了,说明我国已经走在了前面,率先解决了这些难题。也客观证明了量子卫星技术上十分先进。

在大气层内的通讯距离已经达到了160公里,卫星在天上,大气层的厚度是多少?

可能不少国家拼命想知道中国到底是怎么解决一些技术难关的。
g709983@mvrht.c 发表于 2016-8-20 10:40
看了我的文章後大家就會曉得為何潘健偉的師傅在歐洲美國拿不到經費
淪落到中國幫中國搞墨子量子通信衛星 ...
原来是台巴子!!!!巴子乡巴佬也懂量子!!!
量子纠缠通信现在用的着吗?人类地球还没走出去几步呢,无线电通信完全足够。量子加密有没有用?我不太清楚,不过一个新技术总会会有各种不足,不能因为困难就放弃,更不能因为所谓欧美看不上就不搞。
这是量子加密通讯的科普,我觉得说的挺好。
http://www.guancha.cn/Science/2016_08_16_371382.shtml
楼主科普的是现在已经公开的理论。在现在已经公开的理论体系里,量子加密不可破。但是理论是发展的,如果西 ...
理论总归会进步的,但是基础理论从来不会说不公开的。再说,基础理论想重大突破有多难你知道吗?