設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議.doc

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1、基于測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議雖然從理論上證明了QKD方案是一種絕對安全的量子密鑰分發(fā)方案。但是，由于測量設(shè)備和量子信號源的非完美性，量子密鑰分配系統(tǒng)在實際應(yīng)用中并不能保證傳輸信息的絕對安全。例如光子探測器就容易受到“時移攻擊”、“強(qiáng)光致盲攻擊”等各種類型的攻擊。另外竊聽者還可以利用量子信號源的非完美性進(jìn)行攻擊，例如竊聽者可以利用光源的非完美性進(jìn)行“光子數(shù)分流攻擊”。為了解決上述問題，人們提出了幾種可能的方案，其中就包括使用誘騙態(tài)進(jìn)行的量子密鑰分發(fā)方案和基于設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）方案。而最后一種方案有其自身

2、獨特的優(yōu)點：不需要掌握QKD設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以通過貝爾不等式來判斷是否存在竊聽者。由于DI-QKD很難用于實際，后來，由Lo等人又提出了基于測量設(shè)備的無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議（MDI-QKD）。該協(xié)議的優(yōu)點十分突出，首先，該協(xié)議有很高的安全性，而且該協(xié)議的實現(xiàn)非常容易；其次，這個協(xié)議在傳輸距離上相對于傳統(tǒng)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)也有很大的優(yōu)勢，即使在MDI-QKD系統(tǒng)中使用普通二極管發(fā)出的激光光源，它的通信距離也幾乎是傳統(tǒng)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的兩倍。為了更好的理解基于測量設(shè)備的無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，在此以該協(xié)議為基礎(chǔ)介紹一個很簡單MDI

3、-QKD通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)與BB84協(xié)議使用相同的四種偏振態(tài)，即為偏振態(tài)，Alice和Bob都制備這四種偏振態(tài)，并隨機(jī)從四種偏振態(tài)中選擇一種發(fā)送給第三方（或者是EVE），這里我們無法判斷第三方是否是竊聽者，可以認(rèn)為他是不受信任的。然后由第三方將從兩者接收到的信息結(jié)合起來并進(jìn)行貝爾態(tài)的測量，即將輸入信號轉(zhuǎn)換為貝爾態(tài)。像這種測量在實際環(huán)境下都是可以實現(xiàn)的，而且，Alice和Bob可以應(yīng)用誘騙態(tài)技術(shù)來分析接收到的多光子的誤碼率。使用了誘騙態(tài)技術(shù)的MDI-QKD偏振編碼方案原理圖如下圖所示：圖4.4MDI-QKD協(xié)議的基本原理圖

4、正如圖中所示，該系統(tǒng)采用弱相干激光脈沖作為光源，發(fā)送方Alice和接收方Bob通過偏振調(diào)制器對發(fā)射的弱相干激光脈沖進(jìn)行偏振編碼，隨后，在強(qiáng)度調(diào)制器中制備誘騙態(tài)，然后，光束進(jìn)入一個分束器中發(fā)生糾纏，最后經(jīng)過偏振分束器中到達(dá)光子探測器。當(dāng)光子探測器和或者探測器和被觸發(fā)時標(biāo)志著第三方Charlie測量得到貝爾態(tài)，而當(dāng)光子探測器和或和被觸發(fā)時第三方Charlie得到貝爾態(tài)，Alice和Bob的裝置對于竊聽者來說是不可見的，但是測量設(shè)備是非可靠的。當(dāng)Alice和Bob將要傳輸?shù)男畔l(fā)送完成之后，第三方通過公共信道宣布他是否接收到了貝

5、爾態(tài)，并且公布他接收到的貝爾態(tài)，例如一個簡單的量子態(tài)。最后，為了保證發(fā)送的兩人發(fā)送的量子比特的相關(guān)性，Alice和Bob中的一方需要對自己的信息做一個比特反轉(zhuǎn)操作。然而當(dāng)Alice和Bob都選用斜基矢時并且第三方成功得到貝爾態(tài)時則不用進(jìn)行此過程。具體的操作過程如下表：表4.1Alice和Bob的量子比特反轉(zhuǎn)操作Alice和Bob輸出輸出斜測量基比特反轉(zhuǎn)比特反轉(zhuǎn)直測量基比特反轉(zhuǎn)—上述偏振編碼的MDI-QKD量子密鑰分發(fā)協(xié)議的具體實現(xiàn)流程如下：1)發(fā)送方Alice和接收方Bob從上文中的四種光子偏振中任選一個發(fā)送給Charli

6、e。2)第三方對Alice和Bob發(fā)送的信息進(jìn)行測量，并從測量結(jié)果中合成貝爾態(tài)，如果測量后成功得到一個貝爾態(tài)，則認(rèn)為此次測量成功，如果沒有得到貝爾態(tài)，認(rèn)為此次測量失敗。然后，第三方Charlie將測量結(jié)果公布。3)發(fā)送方Alice和接收方Bob根據(jù)第三方公布的結(jié)果，挑選出能產(chǎn)生貝爾態(tài)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保留下來。而剩余的數(shù)據(jù)將被拋棄。4)發(fā)送方和接收方通過公共信道對比他們的測量基，將基選擇相同的數(shù)據(jù)保留下來，將基選擇不同的部分拋棄，接著，Alice和Bob中的一方對數(shù)據(jù)做一個比特位反轉(zhuǎn)操作，并將反轉(zhuǎn)后的結(jié)果作為原始密鑰。5

7、)發(fā)送方Alice和接收方Bob重復(fù)上述動作直到得到足夠多的密鑰。6)發(fā)送方Alice和接收方Bob從原始密鑰中挑選出一部分進(jìn)行量子誤碼率檢測，當(dāng)檢測結(jié)果超過了量子比特誤碼率門限制時放棄此次通信。7)如果驗證了信道是安全的，發(fā)送方和接收方則對剩余的原始密鑰實施糾錯與放大并作為最后的密鑰完成此次密碼控制通信過程。QKD協(xié)議在應(yīng)用中與長距離量子通信面臨的挑戰(zhàn)主要是噪音和損失的影響。有許多研究人員都在著手解決這個問題。但是，我們還經(jīng)常碰到另一個問題，那就是系統(tǒng)不同部分之間的參考框架之間的匹配問題。在理論工作中經(jīng)常假設(shè)已知，而參考

8、框架的匹配不僅僅是距離問題。進(jìn)一步來說，當(dāng)在室外進(jìn)行實驗時，問題往往變得更加復(fù)雜，而且往往會影響量子密鑰分配協(xié)議的使用。例如，在基于光纖的通信系統(tǒng)中，溫度的浮動會引起偏振角度的變化，這使光子的偏振狀態(tài)很難維持在匹配狀態(tài)；在相位編碼中，干涉儀的相位必須被鎖定，而且相位應(yīng)該只受當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響而不受通信信道的