量子噪声流加密（二：如何隐匿通信密文）

在量子噪声流加密（QNSC）中，密文隐匿在量子噪声中的过程以及如何从噪声中解密密文是关键技术，它们依赖于量子噪声的随机性以及合法通信双方（Alice 和 Bob）所共享的密钥。

1. 密文如何隐匿在量子噪声中？

在 QNSC 系统中，量子噪声作为自然随机现象，起到了掩蔽加密信号（密文）的作用，使得信号在传输过程中对窃听者来说难以解析。具体来说，密文隐匿在量子噪声中的过程可以分为以下几步：

1.1 密钥生成和加密

• 首先，发送方（Alice）和接收方（Bob）通过一个安全的协商信道共享一个短的种子密钥（Seed Key，Ks），然后利用加密盒（ENC）扩展生成一个长的运行密钥（Running Key，Kr）。Kr 将用于调制和加密明文数据。
• 明文通过加密函数与运行密钥 Kr 结合，生成加密后的密文信号。这个密文信号通过相位调制（Phase Shift Keying, PSK）或幅度调制（Amplitude Shift Keying, ASK）等方式被加载到光载波上，成为光信号。

1.2 量子噪声掩蔽

• 量子噪声是光信号在量子层面不可避免的物理现象。每个光信号的相位或幅度都有一定的波动，这种波动遵循量子力学中的测不准原理。具体来说，光子数是随机的，相位和幅度无法被同时精确测量。
• 由于量子噪声的存在，合法信号（密文信号）在传输过程中会被这种自然的量子噪声掩蔽，使得外部窃听者很难区分出信号中的真实数据和噪声。窃听者无法从信号中分辨出密文的具体相位或幅度，因为噪声会使信号表现为随机的、不可预测的波动。

1.3 提高噪声掩蔽效果

• 在 QNSC 中，为了进一步增强量子噪声的掩蔽效果，系统通常采用高阶调制和噪声扩散技术。例如，通过增加信号的调制阶数，使得不同密文信号之间的相位或幅度差异变小，量子噪声对这些微小差异的影响会变得更大，从而更有效地掩蔽密文信号。
• 同时，采用不规则映射和随机扰动等方法，使得量子噪声的影响更加难以预测和捕捉，这就使得攻击者在检测时受到更大干扰，无法还原出密文信号。

2. 如何从量子噪声中解密密文？

尽管密文被量子噪声掩蔽，但合法接收方（Bob）能够通过共享的密钥和正确的解密技术，成功从噪声中提取出密文数据。这一过程依赖于 Bob 拥有与 Alice 相同的运行密钥 Kr。具体解密过程如下：

2.1 密钥共享与同步

• 接收方 Bob 与发送方 Alice 拥有相同的种子密钥 Ks，并且使用相同的运行密钥 Kr。这个密钥用于调制和解密信号，它确保 Bob 能够准确解调信号并恢复数据。

2.2 量子噪声影响的非对称性

• 合法接收方与窃听者之间的非对称性：量子噪声对合法接收方 Bob 和窃听者 Eve 的影响是不同的。合法接收方 Bob 通过共享的密钥 Kr，可以进行相位或幅度的精确匹配，从而有效减少量子噪声的影响。
• Bob 通过本地振荡器（Local Oscillator）或差分检测等技术，可以精确捕捉到被加密后的信号。虽然信号仍然会受到量子噪声的影响，但由于 Bob 拥有正确的密钥，他能够区分出真实的信号数据并进行解密。

2.3 解密过程

• 信号解调：Bob 使用与 Alice 相同的运行密钥 Kr，将接收到的加密信号进行解调。由于 Kr 与密文信号的调制方式相匹配，Bob 能够去除信号中的调制部分，恢复出最初的密文。

• 消除噪声影响：合法接收者 Bob 能够使用密钥对信号进行解密，从而有效减轻量子噪声的影响。因为他知道信号的调制方式，能够通过解调和检测技术，准确提取到密文数据。而没有密钥的窃听者无法去除噪声的干扰，因此难以获取有效信息。

• 例如，在相位调制（PSK）情况下，Bob 可以通过密钥 Kr 知道每个调制符号的参考相位，然后通过差分检测（differential detection）或相干检测（coherent detection）恢复出原始的密文。即使信号中含有噪声，Bob 仍然可以使用 Kr 进行精确匹配，消除噪声的干扰。

2.4 量子噪声掩蔽的安全性

• 对于窃听者（Eve）来说，由于没有 Kr，任何试图测量信号的行为都会引入额外的噪声。Eve 只能获取一个被噪声严重干扰的信号，且无法判断其真实内容。
• 即使窃听者能够截获到光信号，由于量子噪声是随机的且无法预测的，他们的测量结果将包含大量错误，无法准确恢复出密文数据。

3. 量子噪声的安全性机制

量子噪声不仅能够掩蔽信号，还具有一些重要的安全特性，使得 QNSC 系统在物理层面上更加安全：

3.1 测不准原理保护

• 根据量子力学的测不准原理，量子态的相位和幅度不能同时被精确测量。窃听者在尝试测量一个属性时，会不可避免地对另一个属性引入不确定性。这意味着，即使窃听者试图测量光信号的相位，他们会遭遇噪声干扰，无法获得精确的测量值。

3.2 量子噪声不可消除

• 量子噪声是由光信号的量子效应引起的，不能通过物理手段消除或预测。因此，它在物理层面上为数据提供了天然的安全性保障。即使窃听者拥有高端设备，量子噪声也使得信号看起来像是随机的、无规律的。

3.3 噪声掩蔽增强攻击难度

• 窃听者面临的主要挑战是无法区分信号中的噪声和真实数据。因此，任何试图破解 QNSC 系统的攻击，都需要同时应对信号调制和噪声的双重障碍，这显著增加了攻击的难度。

结论

• 密文隐匿在量子噪声中的机制：在 QNSC 系统中，密文通过相位或幅度调制加载到光信号中，量子噪声随机地掩蔽了这些信号，使得外部窃听者无法准确测量和恢复数据。
• 解密过程中的关键：合法接收者 Bob 利用与发送者 Alice 共享的运行密钥 Kr，能够进行精确的信号解调和噪声消除，从而从量子噪声中恢复出密文数据。由于窃听者无法获得 Kr，他们无法去除噪声影响，导致窃听失败。
• 量子噪声的安全性：量子噪声是量子力学中的不可预测和不可消除的现象，它通过掩蔽信号为通信提供了物理层的强大保护，使得 QNSC 系统在物理层面上具备了极高的抗窃听能力。