量子保密通信 [Quantum Private Communication] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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曾贵华 著

图书标签:

• 量子通信
• 量子密钥分发
• 信息安全
• 密码学
• 量子信息
• 保密通信
• 量子技术
• 物理学
• 通信工程
• 网络安全

出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040254792

版次：1

商品编码：10336150

包装：精装

丛书名： 信息安全系列丛书

外文名称：Quantum Private Communication

开本：16开

出版时间：2010-01-01

用纸：胶版纸

页数：368

字数：450000

正文语种：英文

内容简介

Quantum Private Communication covers the fundamentals of the areas of secure communication， quantum cryptography， quantum communication， and their physical implementation with applications. The book appears in a timely manner for an emerging field at the crossroad of classic private communication and quantum physics.
Graduate students and scientists alike in communication engineering，computer science， electronic engineering， physics and mathematics will benefit from the book.

作者简介

Professor Guihua Zeng teaches and conducts research at the Department of Electronic Engineering of Shanghai Jiao Tong University and spent an Alexander von Humboldt Fellowship at the University of Freiburg，Germany．

目录

1 Introduction
1.1 Security Requirements of Communication
1.2 Overview of Quantum Private Communication
1.3 Private Communication Models
1.3.1 Classic Secure Communication Model
1.3.2 Quantum Private Communication Model
1.4 History of Quantum Private Communication
1.5 Relationship with Other Subjects
1.6 Notations and Conventions
1.6.1 Random Variables
1.6.2 Cryptosystem and Cipher
References

2 Quantum Security Theory
2.1 Introduction
2.2 Mathematical Background
2.2.1 Hilbert Space
2.2.2 Properties of Hilbert Space
2.2.3 Operators
2.2.4 Several Important Operators
2.2.5 Matrices Decomposition
2.3 Introduction to Quantum Mechanics
2.3.1 Quantum Systems
2.3.2 Dynamic Characteristics of Quantum Systems
2.3.3 Information Retrieval of Quantum Systems
2.3.4 Fundament of Quantum Optics
2.4 Introduction to Information Theory
2.4.1 Entropy
2.4.2 Mutual Information
2.4.3 Quantum Fano Inequality
2.5 Introduction to Complexity Theory
2.5.1 Turing Machine
2.5.2 Classic Complexity
2.5.3 Quantum Complexity
2.6 Security Model
2.6.1 Information-theoretic Security
2.6.2 Computational Security
2.6.3 Attack Strategy Analysis
References

3 Quantum Bits
3.1 Classic Bits
3.2 Quantum Bit Definition
3.2.1 Binary Qubit
3.2.2 P-ary Qubit
3.2.3 Composite Qubit
3.3 Quantum Bit Transformation
3.3.1 Quantum Logic Gates
3.3.2 Quantum Circuits
3.4 Mathematical Property
3.4.1 Bloch Sphere
3.4.2 Orthogonality of Opposite Points
3.4.3 Rotations on Bloch Sphere
3.5 Physical Property
3.5.1 Superposition
3.5.2 Entanglement
3.5.3 Distinguishability
3.5.4 Quantum No-cloning
3.6 Information Property
3.6.1 Single Qubit Information
3.6.2 Nonorthogonal Qubits Information
References

4 Quantum Key Distribution
4.1 Intuition on QKD
4.2 Standard QKD Schemes
4.2.1 BB84 Protocol
4.2.2 B92 Protocol
4.3 Quantum Communication Model for QKD
4.3.1 Quantum Source
4.3.2 Quantum Channel
4.3.3 Quantum Sink
4.4 Reconciliation
4.4.1 Reconciliation Model
4.4.2 Binary Reconciliation Protocol
4.4.3 Non-Binary Reconciliation Protocol
4.5 Privacy Amplification
4.5.1 Privacy Amplification Principle
4.5.2 Privacy Amplification Techniques
4.6 Security Model for QKD
4.6.1 Security Theory
4.6.2 Typical Attack Strategies
References

5 Quantum Cryptosystem
5.1 Introduction
5.2 QKD-based Cryptosystem
5.3 Quantum Vernam Cipher
5.3.1 Classic Vernam Algorithm
5.3.2 Quantum Vernam Cipher
5.3.3 Private Quantum Channel
5.3.4 Security Model
5.4 Typical Quantum Vernam Ciphers
5.4.1 Classic-key-based Quantum Vernam Cipher
5.4.2 Bell-key-based Quantum Vernam Cipher
5.4.3 Teleportation as Quantum Vernam Cipher
5.5 Quantum Block Cipher
5.5.1 Theoretical Model
5.5.2 Quantum Block Algorithm for Binary Bits
5.6 Quantum Public Key Cryptosystem
5.7 Typical Quantum Public-key Algorithms
5.7.1 Algorithm based Subset-sum Problem
5.7.2 Algorithm based Quantum Coding
References

6 Quantum Authentication
6.1 Introduction
6.2 Authentication Theory
6.2.1 Authentication Categories
6.2.2 Security Model
6.3 Message Authentication Code
6.3.1 Encoding Approach
6.3.2 Hash Function Approach
6.4 Quantum Identity Authentication
6.4.1 Scheme Description
6.4.2 Security Analysis
6.4.3 In Imperfect Channel
6.5 Quantum Signature Principle
6.6 Arbitrated Quantum Signature
6.6.1 Algorithm Description
6.6.2 Security Analysis
6.7 True Quantum Signature
6.7.1 Algorithm Description
6.7.2 Security Analysis
……
Index

精彩书摘

This chapter devotes to building a security infrastructure for the quantum private communication. To reach this aim， some fundamental subjects including quantum mechanics， quantum information theory and quantum complexity theory are introduced. Of these fundamental subjects， the quantum mechanics is the cornerstone. With these fundamental subjects， a security theory for the quantum private communication is built.
In previous chapter， an overview of the quantum private communication has been presented and a quantum private communication model has been constructed. This chapter investigates the security theory for the quantum private communication. For convenience， this kind of security theory is called a quantum security theory in this book. As usual， both the information theoretic security and computational security which is very useful in practical applications are contained in the quantum security theory. Different from the scenarios in the classic private communication， however， the information- theoretic security and computational security are here based on the quantum information theory and quantum complexity theory， respectively. To construct the quantum security theory， three aspects are involved including the information theory， complexity theory， and security model. The information theory contains both the Shannon information theory and quantum information theory. The complexity theory is associated with the classic complexity and quantum complexity theory which is based on the quantum Turing machine （TM）. And the security model is a general description for the quantum security theory based on the information theory and complexity theory. Before describing in detail the quantum security theory， some fundamentals including the mathematical backgrounds and quantum mechanics are described. They are actually the cornerstones of the quantum security theory.

前言/序言

Since Wiesner first found that quantum laws may be applied for protecting legitimate information in 1969， the quantum cryptology——a combination of the quantum physics and classic cryptology——has attracted much attention since then. With further investigations， the infrastructure of the quantum cryptology has become more and more clear. To conclude these research results， some excellent books have been devoted to describe various aspects of the quantum cryptology， such as the Quantum computation and quantum information by Nielsen and Chuang， Quantum cryptography and secret-key distillation using quantum cryptography by Assche， and Quantum cryptology by Zeng. As a main application direction of the quantum cryptology， the quantum private communication which combines the quantum cryptology and communication techniques has recently made great progress. By far， various investigations on this aspect have been presented， even some techniques have been applied in practices. This means that the quantum private communication has entered gradually the commerce field. This book devotes to describe fundamental principles， typical schemes， and technical implementations for the quantum private communication.
Because the quantum private communication has currently become a practical reality with products available commercially， it is important to focus not only on the theoretical topics but also on the practical issues. Accordingly， this book arranges the contents from pure theoretical descriptions to practical applications. To reach this aim， a broad range of materials are covered in this book， including how to protect confidentiality and authentication of the private communication using quantum tools and typical techniques for practical applications of quantum private communication in fiber telecommunication systems， wireless optical communication （including satellite communication）， IP networks， and mobile communication systems， etc. Consider that cryptology， quantum physics， and information theory are necessary ingredients to
build framework of the quantum private communication， brief introduction on these issues is employed to make the book self-consistent.
This book originated out of a graduate course of lectures in Quantum Secure Communication given at the Shanghai Jiaotong University. The con- tent of this book is based on my investigations on the quantum cryptography as well as the quantum private communication since 1997.

《量子保密通信》：解锁未来通信的钥匙 在信息爆炸的时代，数据的安全与隐私已成为刻不容缓的议题。从国家安全到个人隐私，再到商业机密，信息的泄露可能带来灾难性的后果。传统加密技术虽然在很长一段时间内为我们提供了坚实的屏障，但随着计算能力的飞速发展，尤其是量子计算机的潜在威胁，这些屏障正面临前所未有的挑战。量子计算机能够以指数级的速度破解当前主流的公钥加密算法，这使得我们依赖的数字通信体系变得岌岌可危。 正是在这样的背景下，《量子保密通信》一书应运而生。它并非一本技术手册，也不是一份枯燥的学术论文集，而是一次深刻的探索，一次面向未来的启迪。这本书旨在为读者打开一扇全新的视角，认识并理解量子力学原理如何能够被巧妙地运用，从而构建出理论上绝对安全的通信机制。它将带领我们穿越量子世界的奇妙规律，揭示其如何为信息安全领域带来颠覆性的革命。 一、量子力学的基石：理解安全之源 要理解量子保密通信的威力，我们首先需要回溯到量子力学的基本原理。本书将以通俗易懂的方式，深入浅出地介绍几个至关重要的量子现象，为后续的保密通信机制打下坚实的基础。 量子叠加（Quantum Superposition）： 这是一个令人着迷的概念。在宏观世界，一个物体要么在此，要么在彼；但在微观的量子世界，一个粒子可以同时处于多种状态的叠加态。例如，一个量子比特（qubit）可以同时表示0和1，或者它们的某种组合。这种特性使得量子计算机在处理复杂问题时拥有远超经典计算机的潜力。更重要的是，在量子通信中，信息的编码可以利用这种叠加态，为安全性提供更丰富的维度。 量子纠缠（Quantum Entanglement）： 爱因斯坦曾将其称为“鬼魅般的超距作用”。当两个或多个粒子发生纠缠时，它们的状态就变得相互关联，无论它们相距多远。测量其中一个粒子的状态，会瞬时影响到另一个粒子的状态。这种奇特的关联性，为在远距离安全地共享密钥提供了理论基础，使得任何窃听行为都会留下难以磨灭的痕迹。 测量对量子态的干扰（Measurement Disturbance）： 这是量子保密通信的核心安全原理之一。根据量子力学的“测量者效应”，任何对量子态的测量行为，都会不可避免地对其产生扰动，改变其原有的状态。这意味着，如果一个窃听者试图截获量子通信中的密钥信息，他必然会干扰这些量子态，从而被合法通信方及时发现。这种“测量必干扰”的特性，构成了量子通信不可逾越的安全屏障。 海森堡不确定性原理（Heisenberg Uncertainty Principle）： 这个原理指出，我们无法同时精确地测量一个粒子的某些成对物理量，例如位置和动量。虽然不直接应用于密钥分发，但它深刻地反映了量子世界的固有不确定性，进一步强调了量子信息的不可复制性和易被干扰性，为理解量子安全提供了更宏观的视角。 本书将以形象的比喻和直观的图示，带领读者逐步领略这些量子世界的奇妙之处，并重点阐述它们如何成为构建安全通信的基石。这部分内容并非为了让读者成为量子物理学家，而是为了建立一种直观的理解：量子力学的这些基本规律，正是赋予量子保密通信“绝对安全”特性的根源所在。 二、量子密钥分发（QKD）：安全通信的基石 理解了量子力学的基本原理后，本书将聚焦于量子保密通信的核心技术——量子密钥分发（Quantum Key Distribution，简称QKD）。QKD并不是一种直接传输加密信息的协议，而是一种安全、高效地生成并分发共享密钥的方法。一旦双方拥有了安全共享的密钥，就可以利用成熟的经典加密算法（如一次性密码本）进行信息的加密与解密，从而实现端到端的安全通信。 BB84协议： 作为最著名和最基础的QKD协议之一，BB84协议将被详细介绍。本书将演示如何利用光子的偏振态（例如水平、垂直、45度、135度）来编码信息，以及发送方如何选择随机的基（rectilinear or diagonal）发送光子，接收方又如何随机选择基进行测量。通过对测量结果的公开比对，双方可以检测出是否存在窃听者。如果窃听者试图测量光子，他必须选择一个基进行测量，但由于不知道发送方使用的基，他选择的基很可能与发送方不一致，从而改变光子的偏振态，这种变化将在后续的比对中被发现。 E91协议： 这一协议则巧妙地利用了量子纠缠的特性。本书将阐释如何通过制备纠缠光子对，并将其分别发送给Alice和Bob。通过测量纠缠光子对的关联性，Alice和Bob可以生成一个共享的随机序列，同时检测出任何可能存在的窃听。E91协议的优势在于其对窃听者攻击的鲁棒性更强，并且能够对窃听者的存在和行为进行更精确的量化。 其他QKD协议的介绍： 除了BB84和E91，本书还将简要介绍其他重要的QKD协议，如B92、SARG04等，并对比它们在安全性、效率、实现复杂度等方面的差异，帮助读者全面了解QKD技术的发展脉络和多样性。 检测窃听的机制： 无论采用何种QKD协议，其安全性的核心都在于能够检测到窃听行为。本书将详细分析在不同协议下，窃听者可能采取的攻击方式（如截获-重发攻击、人手在中间攻击等），以及QKD协议如何通过量子态的不可克隆性和测量干扰性来识别并抵御这些攻击。通过对错误率的统计分析，双方可以判断通信链路的安全性，并在发现窃听时放弃该密钥，重新生成。 本章内容将是本书的技术核心，它将带领读者深入理解QKD的运作原理，揭示其理论上的绝对安全性是如何一步步构建起来的。通过对具体协议的剖析，读者将能够清晰地认识到，量子密钥分发是如何将微观世界的物理定律转化为宏观信息安全的坚实保障。 三、构建量子通信网络：从理论到实践 理论上的安全是第一步，如何将量子密钥分发技术转化为实际可用的通信网络，是实现大规模量子保密通信的关键。本书将探讨量子通信网络的构建面临的挑战与解决方案。 量子光源与探测器的发展： 量子通信需要高度可靠的量子光源来产生单光子或纠缠光子，以及高灵敏度的量子探测器来接收和测量这些光子。本书将介绍目前量子光源和探测器的技术进展，包括单光子源、纠缠源、雪崩光电二极管（APD）、单光子雪崩二极管（SPAD）等，并分析其在性能、稳定性、成本等方面的优势与不足。 量子信道： 量子信号（光子）需要在信道中传输。长距离传输是量子通信面临的一大挑战，因为光子在传输过程中会发生损耗和退相干。本书将讨论如何利用光纤和自由空间作为量子信道，并介绍克服长距离传输损耗的技术，如量子中继（Quantum Repeaters）的概念与进展。量子中继的出现，有望实现跨越大陆甚至全球的量子保密通信。 城域与广域量子通信网络： 本书将介绍当前国内外在构建量子通信网络方面的典型案例和技术路线。包括利用现有光纤网络进行量子密钥分发的“城域网”，以及通过卫星传输实现“广域网”的设想与实践。例如，中国“墨子号”量子科学实验卫星在量子通信领域的突破性进展，将是书中重要的案例分析。 与现有通信基础设施的融合： 量子保密通信并非要完全取代现有的通信网络，而是与之互补。本书将探讨如何将量子密钥分发与现有的IP网络、4G/5G通信等融合，构建混合安全通信系统，为不同应用场景提供最优的安全解决方案。 这一章节将从宏观层面描绘量子保密通信的未来图景，展示理论研究如何逐步走向工程实践。它将帮助读者理解，构建一个真正意义上的量子通信网络，需要跨越多个技术领域，并需要长期的投入和持续的创新。 四、量子保密通信的应用前景与挑战 量子保密通信的出现，将为各个领域带来前所未有的安全保障。本书将展望其广泛的应用前景，同时也审视其当前面临的挑战。 国家安全与军事领域： 量子通信的绝对安全性对于保障国家机密、军事指挥、战略通信等至关重要。它能够有效抵御来自敌对国家的潜在量子计算攻击，确保国家信息安全。 金融与商业领域： 银行、证券、支付系统等涉及海量资金和敏感信息的行业，将从量子通信中获益匪浅。加密的交易、安全的客户数据、防止商业机密泄露，都将得到更高级别的保障。 医疗与健康领域： 电子病历、基因数据等个人健康信息的安全性至关重要。量子通信能够确保这些敏感数据的隐私性，防止非法访问和滥用。 物联网（IoT）与工业互联网： 随着物联网设备的激增，其安全漏洞也日益凸显。量子通信有望为海量的传感器、智能设备提供安全的通信保障，防止被攻击和数据篡改。 当前面临的挑战： 尽管前景光明，但量子保密通信仍面临诸多挑战。包括： 成本问题： 目前量子通信设备的价格昂贵，距离大规模民用还有一定距离。 技术成熟度： 部分量子中继技术仍处于研发阶段，距离商用化还有很长的路要走。 标准化与互操作性： 缺乏统一的国际标准，不同厂商的产品可能存在互操作性问题。 密钥管理： 尽管密钥分发是安全的，但如何安全有效地管理大量的量子密钥仍然是一个挑战。 后量子密码学（Post-Quantum Cryptography）： 量子计算机对现有公钥密码的威胁是真实存在的，因此，除了发展量子通信，还需要发展能够抵御量子计算攻击的经典密码算法，即后量子密码学，两者相辅相成。 本书将深入探讨这些挑战，并分析应对策略，为读者勾勒出量子保密通信发展道路上的机遇与风险。 结语 《量子保密通信》并非一本止步于当下技术描述的书籍，它是一次对信息安全未来的深刻洞察。它邀请读者一同思考，在量子时代即将到来之际，我们该如何构建更加安全、可靠的通信体系。通过对量子力学原理的科普，对量子密钥分发技术的解析，对量子通信网络构建的探索，以及对其应用前景与挑战的展望，本书旨在激发读者对这一前沿领域的兴趣，并为相关从业者、研究者以及所有关心信息安全未来的人们提供一份宝贵的参考。 它证明了，隐藏在微观世界的量子规律，正以一种前所未有的方式，重塑着我们对信息安全的认知，并为我们描绘了一个更加安全、可信的数字未来。这本书，是解锁那个未来的钥匙，是通往量子安全时代的必读之作。

评分☆☆☆☆☆

这本《量子保密通信》的书名一听就很有吸引力，我一直对信息安全领域的前沿技术很感兴趣，特别是那些听起来充满了未来感的概念。量子保密通信，光是这个名字就让我想象到无数科幻电影里的场景，简直是现实版的“不可能的任务”。我好奇它究竟是如何利用量子力学的奇特性质来保证通信的绝对安全，是像传说中那样，任何窃听都会被立刻察觉，还是有更深层次的原理支撑。我非常期待书中能够深入浅出地解释量子叠加、量子纠缠这些听起来玄之又玄的概念，并且能够将其与实际的通信过程联系起来。我希望它不仅仅是理论的堆砌，而是能够提供一些关于实际应用场景的描绘，比如它将如何影响未来的金融交易、国家安全，甚至是我们的日常生活。我甚至幻想书中会提到一些尚未公开的，正在研发中的量子通信技术，那样的话，这本书的价值就更不可估量了。我准备好迎接一场智力上的冒险，去探索这个令人着迷的全新领域，看看它是否真的能为我们揭示一个更加安全可靠的通信未来。

评分☆☆☆☆☆

我最近在寻找一些能够拓展我技术视野的书籍，而《量子保密通信》这个名字恰好抓住了我的眼球。我本身就对密码学有着浓厚的兴趣，对现有的公钥加密、私钥加密等技术原理有一定的了解。因此，我特别好奇量子保密通信究竟是如何颠覆或补充现有加密体系的。它是否意味着我们现有的许多加密算法将面临被破解的风险，或者它将提供一种完全不同于现有范式的安全保障？书中会不会详细介绍量子密钥分发（QKD）的各种实现方式，例如基于光子、光纤的原理，以及它们在实际部署中可能遇到的挑战和解决方案？我希望作者能够用一种清晰易懂的方式来阐述那些听起来非常高深的物理学概念，避免过于晦涩的数学公式，让我这个非物理专业背景的读者也能有所收获。更重要的是，我希望这本书能够让我对量子保密通信的未来发展趋势有一个初步的认识，它是否已经进入了商业化阶段，或者仍处于实验室研究阶段？对于一个对技术发展保持高度敏感的人来说，这些信息都至关重要。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名《量子保密通信》让我立刻联想到的是科幻小说里那种“无懈可击”的安全传输方式。我一直觉得，信息安全就像一场永无止境的猫鼠游戏，每一次技术的突破都伴随着新的威胁出现。而“量子”这个词，似乎暗示着一种更高维度的解决方案，一种能够从根本上解决安全问题的力量。我非常好奇，它所说的“保密”究竟能达到什么样的程度？是理论上的绝对安全，还是在实际操作中能够达到比现有技术高得多的安全性？我希望书中能够解释量子通信在面对各种攻击（例如窃听、重放攻击）时，其独特的防御机制是什么。我尤其想知道，它是否能够为我们提供一种“后量子密码学”的视角，即如何在量子计算机出现后，仍然能够保持信息的安全。这本书是否会探讨量子通信在不同应用场景下的可行性，比如军事通信、金融数据传输，甚至是个人隐私保护？我很期待它能给我带来一些关于未来信息安全格局的启示。

评分☆☆☆☆☆

老实说，我并不是一个在物理学领域有深厚造诣的人，但是“量子保密通信”这个书名，却像一块磁铁一样吸引了我。我之所以会被吸引，是因为它听起来像是科技界最前沿的探索，是人类智慧在理解和运用自然规律上的又一次飞跃。我好奇，这本书会如何将那些深奥的量子物理原理，比如量子叠加和量子纠缠，转化为实际的通信技术？我希望它能够用一种相对容易理解的方式来阐述，避免过多的专业术语和复杂的数学推导，让我这个普通读者也能窥探到其中的奥秘。我更关心的是，这种“量子保密通信”究竟能为我们带来什么样的好处？它是否能够彻底解决我们现在面临的许多网络安全问题，例如数据泄露、身份盗窃？我希望这本书能够给我描绘一个清晰的图景，让我们看到量子保密通信在未来可能扮演的角色，以及它将如何改变我们的生活。我期待着通过这本书，能够对这个新兴领域有一个初步但深刻的认识。

评分☆☆☆☆☆

在我看来，《量子保密通信》这个书名本身就充满了未来感和神秘感。我一直以来都对信息安全领域的发展有着浓厚的兴趣，尤其是那些能够颠覆现有格局的革命性技术。我非常好奇，这本书将如何解释量子力学的原理是如何被应用到通信安全中的。例如，它是否会深入探讨量子叠加和量子纠缠这两个核心概念，并说明它们如何为通信提供前所未有的安全性？我希望书中能够用一种严谨又不失趣味的方式来阐述这些复杂的物理学原理，并且能够将其与实际的通信协议和技术联系起来。我特别期待书中能够介绍一些具体的量子保密通信协议，比如BB84协议，并分析其工作原理和优势。此外，我也想知道，量子保密通信在实际应用中会面临哪些挑战，比如技术成熟度、成本以及部署难度等等。这本书是否能够给我一个关于量子保密通信发展现状和未来前景的全面了解？我渴望通过阅读这本书，能够更清晰地认识到这一前沿技术对我们未来社会可能带来的深远影响。

评分☆☆☆☆☆

这本书内容还不错，值得看看。

评分☆☆☆☆☆

非常不错正是我想要的回头查了一下，我是从2010年3月开始网络购书的，算起来快5年了。师傅是我的女友“好梦”，她是个样样时尚都能搞懂的70后女子，若干年前我看她拿了一摞书在付款，才知道还有这等方便之事：网上选书，书到付款。于是赶紧回家登录京东书城，挑选，下单。果然，很快书就送到了。从那时起到现在，我不知在京东下了多少订单，四五十次应该有了吧，因为我早已是VIP钻石用户啦。好了，废话不多说。

评分☆☆☆☆☆

不错，是正版。但是英文的，费劲

评分☆☆☆☆☆

薄纸包裹，品相低劣

评分☆☆☆☆☆

书非常不错

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好书

评分☆☆☆☆☆

好书

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不错，是正版。但是英文的，费劲