量子通信理論和應(yīng)用

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1、量子通信理論和應(yīng)用量子通信是經(jīng)典通信和量子力學(xué)結(jié)合的一門交叉學(xué)科。文章綜述了量子通信的基本原理、方法與應(yīng)用;介紹了量子通信技術(shù)近年來取得的應(yīng)用，并對(duì)未來發(fā)展作了展望。在信息時(shí)代，X絡(luò)安全是一個(gè)嚴(yán)峻的問題。信息安全已經(jīng)得到了各國政府的高度重視，一方面要保護(hù)自己的安全，另一方面要攻擊對(duì)方，信息保護(hù)的升級(jí)刻不容緩。1現(xiàn)代密碼學(xué)現(xiàn)代密碼學(xué)的基本思想是發(fā)送方使用加密算法和密鑰，將要保密的信息變成數(shù)字發(fā)送給接收方。密鑰是隨機(jī)數(shù)0、1，將其與要傳送的數(shù)字明文放在一起，用加密算法把它們變成密文，密文就是傳送的信息

2、。接收方使用事先定好的相應(yīng)的解密算法，反變換將明文提取出。密碼體制分為兩類：一類叫對(duì)稱密鑰(非公開密鑰)，它的加密密鑰和解密密鑰相同，通信雙方需要事先共享相同的密鑰，關(guān)鍵在于如何安全地傳遞密鑰。其中有一種一次一密(onetimepad)的密碼，用與明文等長(zhǎng)的二進(jìn)制密鑰與明文異或得密文，并且每個(gè)密鑰使用一次就銷毀，根據(jù)香農(nóng)的證明一次一密是無法破譯的。另一類叫非對(duì)稱密鑰(公開密鑰)，加密密鑰和解密密鑰不相同，加密密鑰公開，發(fā)送者發(fā)送密鑰與明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密鑰解出密文。從公開的加密

3、密鑰推導(dǎo)出解密密鑰需要耗費(fèi)極巨大的資源，雖然原則上可破解，但實(shí)際做不到，所以，在當(dāng)今社會(huì)受到廣泛使用。一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，它可以更快速的破解數(shù)學(xué)難題，公開密鑰就面臨了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2量子密碼無論采用哪種方法，都無法避免“截取-重發(fā)”的威脅。為了應(yīng)對(duì)強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，需要無條件安全的一次一密的加密方案;但必須解決密鑰分配的安全性，可以借助于量子信息作為密鑰傳輸?shù)墓ぞ?。一次一密不可破譯加上密鑰傳輸不可以竊聽，從理論上就可以做一個(gè)“絕對(duì)安全”的量子保密通信。量子密碼是利用信息載體(例如光子等粒子)的量子

4、特性，以量子態(tài)作為符號(hào)描述的密碼，它的安全性是由量子力學(xué)的物理原理保障的。①測(cè)量塌縮理論：除非該量子態(tài)本身即為測(cè)量算符的本征態(tài)，否則對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量會(huì)導(dǎo)致“波包塌縮”，即測(cè)量將會(huì)改變最初的量子態(tài)。②不確定原理：不能同時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量?jī)蓚€(gè)非對(duì)易物理量。③不可克隆原理：無法對(duì)一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行精確的復(fù)制。④單個(gè)光子不可再分：不存在半個(gè)光子。3量子通信量子通信，廣義是指量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，內(nèi)容包括量子隱形傳態(tài)、量子糾纏交換、量子密鑰分配;狹義上是指量子密鑰分配或基于量子密鑰分配的密碼通信。本文

5、講述的是狹義的量子通信。3.1單光子的偏振態(tài)本文介紹采用BB84協(xié)議實(shí)現(xiàn)的量子通信，在發(fā)送者和接收者之間用單光子的偏振態(tài)作為信息的載體。有兩種模式：一個(gè)是直線模式，光子偏振態(tài)的偏振方向是垂直或者水平，如圖1所示;一個(gè)是斜線(對(duì)角)模式，光子偏振態(tài)的偏振方向與垂直線稱45?觷角，如圖2所示。3.2基于BB84協(xié)議下的“制備-測(cè)量”依照慣例，密碼學(xué)家稱發(fā)送者為Alice，接收者為Bob。Alice隨機(jī)用直線模式或?qū)悄Ｊ桨l(fā)出光子，并記錄下不同的指向。Bob也隨機(jī)決定用兩種模式之一測(cè)量接收到的光子，同時(shí)

6、記下采用檢偏器的模式和測(cè)量結(jié)果值。傳送結(jié)束后，Alice與Bob聯(lián)絡(luò)，Bob告訴Alice他分別采用哪種模式測(cè)量，然后Alice會(huì)告訴Bob哪些模式是錯(cuò)誤的，這一過程無須保密。之后他們會(huì)刪除使用錯(cuò)誤模式測(cè)量的光子，而正確模式測(cè)量出的光子按照統(tǒng)一規(guī)定變成0、1碼后，就成為量子密鑰。3.3發(fā)生竊聽根據(jù)“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”，任何測(cè)量都無法窮盡量子的所有信息。因此，竊聽者想要復(fù)制一個(gè)完全相同的光子是根本不可能的事情。同時(shí)，任何截獲或測(cè)量量子密鑰的操作都會(huì)改變量子狀態(tài)，竊聽者只得到無意義的信息，而信息合法接

7、受者也可以從量子態(tài)的改變，知道存在竊聽者。密碼學(xué)家通常稱竊聽者為Eve，同Bob一樣只能隨機(jī)選擇一種測(cè)量模式，當(dāng)她采用錯(cuò)誤的測(cè)量方式對(duì)某一光子測(cè)量時(shí)，由于波包塌縮，光子的偏振態(tài)會(huì)改變。比如，Eve使用對(duì)角模式測(cè)量直線模式下的光子態(tài)，光子態(tài)會(huì)塌縮為對(duì)角模式。之后即使Bob選擇了正確的測(cè)量模式測(cè)量該光子，Bob可能會(huì)得到不符合編碼信息的測(cè)量結(jié)果，這就產(chǎn)生了誤差，具體通信過程如圖3所示。Eve竊聽一個(gè)光子采用錯(cuò)誤測(cè)量模式的概率是50%;采用錯(cuò)誤模式時(shí)，信息可能變成0，也可能變成1，他有25%的概率被發(fā)現(xiàn)

8、。但密鑰并非一個(gè)光子組成，光子數(shù)越多被發(fā)現(xiàn)的概率就會(huì)越高。當(dāng)誤碼率低于閾值，就可以稱這個(gè)密碼是安全的;當(dāng)誤碼率超過閾值，就稱密碼被竊聽，重新再制備新的密鑰，一直檢查到密鑰在建立過程中沒有竊聽者存在，接下來進(jìn)行一次一密的傳送。通過這種方式能保證密鑰本身安全，并且加密密文不可破譯，這就是量子通信的安全性所在。3.4量子信道與經(jīng)典信道發(fā)送方通過量子信道傳送量子態(tài)光子，接收方用兩種不同類型的檢偏器測(cè)量，檢測(cè)出0、1組成的量子密鑰，還需要一個(gè)經(jīng)典信道。因?yàn)槭遣捎靡淮我幻芊绞?，所以?jīng)典信道需要