经典密码学与量子密码学

密码学是用于在开放环境中两个方之间进行安全通信的科学，在这种环境中，无法排除未来攻击或任何通信监视的可能性。在密码学中，加密和解密过程分别在发送方和接收方进行。加密是指将简单的多媒体数据流与称为密钥的附加数据字符串结合起来，并将其转换为一种难以阅读的形式，称为密文。解密只是加密的相反操作：必须使用相同的密钥或不同的密钥，将数据从密文格式解码回原始多媒体格式。

根据特定的原理或协议，密码学技术有两种通用类别。然而，我们现在将重点关注两种类型的密码学技术：经典密码学和量子密码学。

什么是经典密码学？

经典密码学基于数学，即其实现依赖于大数分解的计算难度。经典密码学依赖于一种晦涩的数学问题，例如经典密码学中的大数分解。信息以一种不希望截获的人无法读取的格式呈现。信息以原始格式——明文-密文格式——显示，以便通过不适当的通信渠道进行传输。称为密钥的数据字符串用于控制数据从明文到密文的转换。这种设置构成了数据安全的基础，因为只有在接收方持有密钥的情况下，才能从密文中提取明文。最终的安全通常取决于对密钥的了解和持有。因此，只有授权接收者才能被假定拥有该密钥。

类型

1. 对称密码学

它可以是用于加密和解密数据的对称密钥，即私钥。正是这种只在授权的发送方和接收方之间分发私钥的需求限制了这种加密技术的有效性。

2. 非对称密码学

在非对称密码学中，使用一对密钥——公钥和私钥。发送方使用公开可用的密钥加密信息，而接收方使用私钥解密。密钥分发中的缺陷得到了克服。

经典密码学的优点

1. 如果正确实现，一次性密码本是无法破解的。
2. 手动操作非常简单，无需计算机。
3. 对于偶尔的窃听者来说，很难确定明文。
4. 使用一次性密码本很不方便，需要面对面交换密码本。
5. 除了 OTP，如果有人对你想写的内容稍微感兴趣并且具备基本的密码学知识，那么破解其加密会更容易。

经典密码学的缺点

1. 安全性太有限，容易受到频率分析和暴力破解攻击，因此不适用于现代威胁。
2. 密钥管理相当困难，需要确保密钥的分发和管理安全，从而增加了对称系统中被拦截和滥用的可能性。
3. 随着用户数量的增加，生成的密钥数量将呈指数级增长，因此大规模使用的效率会降低。
4. 经典密码学无法应用于现代形式的数据和大数据集，因为它们需要更通用、更高级的加密算法。
5. 没有内置的数据完整性、身份验证或抗抵赖机制，而这些在当今安全的数字通信中是必需的。

什么是量子密码学？

量子密码学——一门依赖于量子力学定律的物理学分支——是一项新兴技术，其特征是量子物理现象，其中双方能够基于量子力学定律的不变性安全地通信。量子力学指的是构建物理理论的规则和数学框架。

量子密码学利用了两个源自量子力学的基本概念：（海森堡不确定性原理和光子偏振原理。）

1. 海森堡不确定性原理：该原理指出，如果确定了一个状态系统的某个方面，那么另一个方面就无法准确确定。例如，如果考虑不确定性原理的影响，可以确定个人的身高，但无法准确确定其体重。奇怪的是，该原理在你试图测量任何东西的那一刻就变得真实。
   这些是未经认证的光束，由光子组成。它们的波结构被偏振或设置在某个倾斜方向。在光子偏振实验中，测量每次测量中偏振的设定所做的选择会被扭曲。正是这一原理在挑战攻击者在量子密码学中的尝试方面起着至关重要的作用。
2. 光子偏振原理：光子偏振原理指出，由于不可克隆定理，窃听者无法复制独特的量子比特。进行测量会扰乱其他信息。

量子密码学的优点

1. 它通过基于物理学基本定律而不是使用当今使用的任何数学算法或计算技术来提供安全性，从而确保安全通信。
2. 它几乎不可能被破解。
3. 维护所需资源最少。
4. 量子密钥分发中的窃听检测，因为无法创建编码在量子状态中的信息的相同副本。
5. 这些加密技术的有效性不断提高。
6. 它提供完美保密：拦截的信息在未被检测到的情况下无法被更改或窃听。
7. 它能够检测任何试图拦截或窃听通信的尝试，在攻击发生之前就消除攻击的可能性。
8. 它可以引导大型安全通信网络，这将使其在量子计算机的攻击面前相当安全，而量子计算机将攻击许多现有密码系统。

量子密码学的缺点

1. 在全球范围内实施此举可能会导致许多工作岗位的流失，从而加剧失业状况。
2. 光子偏振在通过信道大量传播时，可能会由于多种原因而改变。
3. 缺乏数字签名、认证邮件等许多加密功能，使其在当今无法完成很多任务。如今，它就是这样。
4. QKD 通过导引介质和 16 bps 的波特率超过 250 公里。
5. 量子密码学需要特殊设备，包括激光器和光子探测器，这些设备可能过于昂贵且维护起来很麻烦。
6. 它对环境因素敏感，例如环境电磁场和温度，会影响通信的准确性和可靠性。
7. 距离进一步限制了安全通信通道，根据天气和环境限制等条件，范围约为几百公里以内。

结论

经典密码学使用替换或置换等现有方法来保护信息，但在安全性、密钥管理效率不高以及处理当代数据能力等方面遇到了问题。量子密码学建立在量子力学原理的基础上，提供了更强的安全性、更好的密钥分发，并解决了这些问题。因此，从经典密码学转向量子密码学是为数字数据提供免受高级威胁的安全保护域的一种非常积极且真诚的方式。