基于bb84协议的量子密钥分发模拟实验

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1、基于BB84协议的量子密钥分发模拟实验量子密钥分发是量子信息的重要应用，由于真实量子密钥分发实验的仪器昂贵，很难用于教学。本文利用本科教学常规的光学实验仪器，在限定光束不可分的前提下，通过对光的偏振的调制和测量，模拟出BB84协议的量子密钥分发通信过程。具有仪器简单，原理淸晰的特点，对量子信息的教学很有帮助。【关键词】BB84协议量子密钥分发单光子模拟量子密钥分发利用量子力学的原理，可使真正通信的双方获得绝对安全的密钥，有广泛的应用前景。在大学中开设量子密钥分发实验对学生理解量子信息和量子保密通信很有帮助。但真实的量子密

2、钥分发实验装置非常贵，一般学校很难用于实验教学。本文以量子密钥分发屮最典型的BB84协议实验为对象，提出一种简易的模拟实验，模拟BB84协议通信的过程和结果。具有仪器便宜，原理演示清楚的特点，非常适合量子密钥分发的实验教学。1实验原理下面首先简单介绍量子密钥分发中偏振编码的BB84协议。按通常约定，真实通信的双方分别称为Alice（发送方）和Bob（接收方），窃听者称为Eve。在BB84协议屮，信息的发送方Alice将信息加载在单光子的四种偏振态上，其中光子水平偏振态11〉和竖直偏振态10〉构成希尔伯特空间的一组正交归一

3、基X，而45°偏振态

4、+〉与135°偏振态

5、-＞构成另外一组正交归一基Z。令态

6、1〉和态

7、+〉表不1，态

8、0＞和态

9、-〉表750。BB84协议的主要内容为：(1)Alice随机地选择基以及0和1来调制一系列的单光子，然后通过量子信道把加载了信息的单光子序列发送给Bob。(2)Bob随机地从两组测量基屮选择一种，对收到的每个光子进行测量并记录他的测量值和所用的测量基。(3)Bob通过经典信道告诉Alice他每次测量所选的基，而Alice通过对比后告诉Bob哪些测量是选对了基而予以保留，这样Alice和Bob就拥有一组所选的

10、基相一致的随机二进制序列，称为筛选码。(4)Alice和Bob从筛选码屮随机选取n位并公开宣布其值和所选的基，以估计信道参数和量子比特误码率。(5)若误码较高，那么就放弃木次通信。若误码率较低，那么通过误码纠错和私钥放大等后处理方法就可除去Eve获得的信息，得到Eve—无所知的Alice和Bob共冇的随机密钥。本文以普通激光脉冲来代替单光子进行模拟实验，这里需要有两个限定：一是限定光脉冲不可分。这是因为实际单光子是不可分的，模拟中把激光二极管发出的一个光脉冲当作一个光子来看(当然光脉冲不是单光子)。二是限定探测器在接收到

11、一半光强时将随机地输出0或1，以模拟单光子通过与其偏振方向成45°角的偏振分束片时，各以50%的概率透射和反射的情况。2实验过程实验装置如图1所示。图中由控制器1控制的LI、L2、L3和L4是加有偏振片的二极管激光器，发射偏振方向分别为0、45°、90°和135°的偏振光。光经过小孔光阑K1后，再通过凸透镜LA后变成平行光发给Bob。光经50:50的分朿片BS后分成等光强的两朿，其中一朿光经0°方向的偏振片P1后再经凸透镜LB1会聚到探测器D1,对应于选择X基探测。另一束光经45°方向的偏振片P2后再经凸透镜LB2会聚到

12、探测器D2,对应于选择Z基探测。探测器DI（D2）主要包含一个光电二极管（pin管）和一个输出控制电路。设定当D1或D2收到光信号的光强为I时，若I>0.710（10为入射到Bob端光强的1/2）,则输出信号1;若K0.3I0，则输出信号0;若0.3I0〈I〈0.710，则随机输出0或1。控制器1和2主要包含一个C51单片机系统，接受计算机的指令并发送信息给计算机。时序同步信号用来触发Alice端激光的发射及Bob端的探测。图1中Ll、L2、L3、L4:加有偏振片的二极管激光器，K1:小孔光阑，LA、LB1、LB2：凸透

13、镜，Pl、P2:偏振片，DI、D2:探测器。2.1无窃听的模拟实验过程如下：2.1.1信息发射Alice由计算机产生两组0和1的随机数发给控制器1，一组随机数是用来随机地选择基，0表示选X基，1表示选Z基；另一组随机数0和1是要发送的密钥。控制器1由这两组随机数的组合来控制激光二极管的发光。例如00表示基是X，密钥是0,则触发激光二极管L1，发出0方向偏振的光；10表示基是Z,密钥是0,则触发激光二极管L2,发出45°方向偏振的光，以此类推。控制器1接收由计算机给的时序信号并把它发给控制器2，以触发Alice端激光二极管

14、的发光和Bob端的探测，并使两者同步。2.1.2探测过程当控制器2收到控制器1的时序同步信号时，由Bob端的计算机经控制器2随机地读取探测器D1或D2屮的一个的数据，相当于随机地选择基X或Z测量。2.1.3数据协调通过连接Alice和Bob的计算机的网线（图2中没有画出），Bob公布所用的偏振方向，Alice告诉Bo