1. 突破密钥界限的背景
在传统的密码学中，密钥长度越长，破解难度越大。但随着计算机硬件技术的飞速发展，已经产生了通过计算机暴力破解密钥的可能性。因此，在现代密码学中，提高密码算法的安全性已经不再是唯一的手段。随着学者们对量子计算机的深入研究，他们发现，量子计算机对于传统密码算法是一种无法抵御的攻击手段。因此，大家开始研究一种新的密码算法——量子密码，目的就是要抵御量子计算机的攻击。而SQLServer的新版本，也加入了这一加密算法。
2. 量子密码的简介
量子密码是一种基于量子力学原理的密码算法，它利用量子态的特性来保证数据传输的安全。在传统密码算法中，所有的信息都是通过明文方式传输的，即信息会在传输的过程中途被截获。而量子密码则是将数据转化为量子态进行传输，因此在传输的过程中，任何人都无法对数据进行截取和窃取。
2.1 量子密钥分发
量子密码主要包含两个部分：量子密钥分发和量子密码变换。其中，量子密钥分发是通过一种类似于试验室的方式进行的。Alice和Bob会使用同一台随机量子密钥生成器，将随机生成的密钥发送给对方。在这个过程中，任何人都无法截获密钥，这意味着Alice和Bob可以通过随机生成的密钥进行加密和解密。这样做的目的就是为了避免密钥被第三方获取。
2.2 量子密码变换
当密钥分发完成后，Alice和Bob将利用这个密钥来进行加密和解密。在利用密钥进行加密的时候，Alice会把明文与随机生成的密钥进行异或操作，这样产生的密文就可以通过传输的方式进行数据传输。而在利用密钥进行解密的时候，Bob只需要使用同样的随机生成的密钥，把密文再次与这个密钥进行异或操作，这样就可以得到原始的明文。
3. SQLServer量子密码实现的原理
在SQLServer 2017版本中，Microsoft提供了基于CLR的扩展实现，可以利用.NET框架实现量子密码算法中的量子密钥分发和量子密码变换功能。这样，SQLServer 便可以在数据库层面上实现量子密码算法，对传输过程中的信息进行保护。
3.1 CLR集成
CREATE ASSEMBLY QuantumEncryption
FROM 'D:\QuantumEncryption.dll' WITH PERMISSION_SET = UNSAFE
GO
CREATE FUNCTION QKD( @AliceMessage NVARCHAR(MAX) )
RETURNS NVARCHAR(MAX)
AS EXTERNAL NAME QuantumEncryption.QuantumEncryption.QKD
GO
在SQLServer中，CLR（Common Language Runtime）是一个重要的组件。CLR可以让SQLServer支持执行托管代码， CLR集成的方法如上所示。
3.2 量子密钥分发算法
public static Tuple AliceWorkflow()
{
using (var factory = new QuantumAlgorithmFactory())
{
// 创建量子位数
var qubits = factory.CreateQuantumRegister(32);
// 设计量子线路 qubit[0]将作为基准的核心
var circuit = new QuantumCircuit(qubits);
circuit.H(qubits[0]);
for (int i = 1; i < qubits.Length; i++)
{
circuit.CNot(qubits[0], qubits[i]);
}
// 执行这个概率算法
var provider = new SdkExecutionProvider();
var sim = new QuantumSimulator(provider);
var result = sim.GetState(circuit);
//将结果转化为密钥
return new Tuple(qubits.Select(qubit => (byte)result.GetProbability(qubit, true)).ToArray(), qubits.Select(qubit => (byte)result.GetProbability(qubit, false)).ToArray());
}
}
量子密钥分发算法的实现需要依托于.NET Framework，可以利用QuantumAlgorithmFactory和QuantumCircuit类实现。上述代码展示了量子密钥分发算法中，Alice的操作过程。
3.3 量子密码变换算法
public static byte[] BobWorkflow(byte[] message, Tuple qkey)
{
if (message == null || message.Length == 0) throw new ArgumentNullException(nameof(message));
if (qkey == null) throw new ArgumentNullException(nameof(qkey));
if (qkey.Item1 == null || qkey.Item2 == null) throw new ArgumentException("key doesn't exist");
if (qkey.Item1.Length != qkey.Item2.Length) throw new ArgumentException("key format error");
var length = message.Length;
var result = new byte[length];
for (int i = 0; i < length; i++)
{
var k = qkey.Item1[i % qkey.Item1.Length] << 1 | qkey.Item2[i % qkey.Item2.Length];
result[i] = (byte)(message[i] ^ k);
}
return result;
}
量子密码变换算法需要传入之前生成的随机密钥和需要加密的消息进行处理，这部分的实现可以参考上述代码。通过传递随机密钥，将明文进行加密产生密文，并且最后再利用同样的随机密钥对密文进行解密，得到原始的明文。
4. 总结
随着计算机技术的不断创新，人们对于数据传输的安全性越来越重视。而在传统的密码学防范中，已经产生了暴力破解密钥的攻击方式。为了应对这种攻击，研究学者开始研究量子密码算法，并提出了一种具有可行性的加密解决方案。在SQLServer 2017版本中，我们看到了基于CLR的扩展实现，可以在数据库层面上实现量子密码算法，在信息传输中对于机密性和完整性做出保证。