量子通信理论和应用

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1、量子通信理论和应用量子通信是经典通信和量子力学结合的一门交叉学科。文章综述了量子通信的基本原理、方法与应用;介绍了量子通信技术近年来取得的应用，并对未来发展作了展望。在信息时代，X络安全是一个严峻的问题。信息安全已经得到了各国政府的高度重视，一方面要保护自己的安全，另一方面要攻击对方，信息保护的升级刻不容缓。1现代密码学现代密码学的基本思想是发送方使用加密算法和密钥，将要保密的信息变成数字发送给接收方。密钥是随机数0、1，将其与要传送的数字明文放在一起，用加密算法把它们变成密文，密文就是传送的信息

2、。接收方使用事先定好的相应的解密算法，反变换将明文提取出。密码体制分为两类：一类叫对称密钥(非公开密钥)，它的加密密钥和解密密钥相同，通信双方需要事先共享相同的密钥，关键在于如何安全地传递密钥。其中有一种一次一密(onetimepad)的密码，用与明文等长的二进制密钥与明文异或得密文，并且每个密钥使用一次就销毁，根据香农的证明一次一密是无法破译的。另一类叫非对称密钥(公开密钥)，加密密钥和解密密钥不相同，加密密钥公开，发送者发送密钥与明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密钥解出密文。从公开的加密

3、密钥推导出解密密钥需要耗费极巨大的资源，虽然原则上可破解，但实际做不到，所以，在当今社会受到广泛使用。一旦量子计算机研制成功，它可以更快速的破解数学难题，公开密钥就面临了严峻挑战。2量子密码无论采用哪种方法，都无法避免“截取-重发”的威胁。为了应对强大的量子计算机，需要无条件安全的一次一密的加密方案;但必须解决密钥分配的安全性，可以借助于量子信息作为密钥传输的工具。一次一密不可破译加上密钥传输不可以窃听，从理论上就可以做一个“绝对安全”的量子保密通信。量子密码是利用信息载体(例如光子等粒子)的量子

4、特性，以量子态作为符号描述的密码，它的安全性是由量子力学的物理原理保障的。①测量塌缩理论：除非该量子态本身即为测量算符的本征态，否则对量子态进行测量会导致“波包塌缩”，即测量将会改变最初的量子态。②不确定原理：不能同时精准测量两个非对易物理量。③不可克隆原理：无法对一个未知的量子态进行精确的复制。④单个光子不可再分：不存在半个光子。3量子通信量子通信，广义是指量子态从一个地方传送到另一个地方，内容包括量子隐形传态、量子纠缠交换、量子密钥分配;狭义上是指量子密钥分配或基于量子密钥分配的密码通信。本文

5、讲述的是狭义的量子通信。3.1单光子的偏振态本文介绍采用BB84协议实现的量子通信，在发送者和接收者之间用单光子的偏振态作为信息的载体。有两种模式：一个是直线模式，光子偏振态的偏振方向是垂直或者水平，如图1所示;一个是斜线(对角)模式，光子偏振态的偏振方向与垂直线称45?觷角，如图2所示。3.2基于BB84协议下的“制备-测量”依照惯例，密码学家称发送者为Alice，接收者为Bob。Alice随机用直线模式或对角模式发出光子，并记录下不同的指向。Bob也随机决定用两种模式之一测量接收到的光子，同时

6、记下采用检偏器的模式和测量结果值。传送结束后，Alice与Bob联络，Bob告诉Alice他分别采用哪种模式测量，然后Alice会告诉Bob哪些模式是错误的，这一过程无须保密。之后他们会删除使用错误模式测量的光子，而正确模式测量出的光子按照统一规定变成0、1码后，就成为量子密钥。3.3发生窃听根据“海森堡测不准原理”，任何测量都无法穷尽量子的所有信息。因此，窃听者想要复制一个完全相同的光子是根本不可能的事情。同时，任何截获或测量量子密钥的操作都会改变量子状态，窃听者只得到无意义的信息，而信息合法接

7、受者也可以从量子态的改变，知道存在窃听者。密码学家通常称窃听者为Eve，同Bob一样只能随机选择一种测量模式，当她采用错误的测量方式对某一光子测量时，由于波包塌缩，光子的偏振态会改变。比如，Eve使用对角模式测量直线模式下的光子态，光子态会塌缩为对角模式。之后即使Bob选择了正确的测量模式测量该光子，Bob可能会得到不符合编码信息的测量结果，这就产生了误差，具体通信过程如图3所示。Eve窃听一个光子采用错误测量模式的概率是50%;采用错误模式时，信息可能变成0，也可能变成1，他有25%的概率被发现

8、。但密钥并非一个光子组成，光子数越多被发现的概率就会越高。当误码率低于阈值，就可以称这个密码是安全的;当误码率超过阈值，就称密码被窃听，重新再制备新的密钥，一直检查到密钥在建立过程中没有窃听者存在，接下来进行一次一密的传送。通过这种方式能保证密钥本身安全，并且加密密文不可破译，这就是量子通信的安全性所在。3.4量子信道与经典信道发送方通过量子信道传送量子态光子，接收方用两种不同类型的检偏器测量，检测出0、1组成的量子密钥，还需要一个经典信道。因为是采用一次一密方式，所以经典信道需要