Lecture11_量子密码学

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1、第11章　密码学的新进展　　　　　　　－量子密码学学习要点：了解密码学的发展趋势了解量子密码学的发展概况了解量子密码学基本原理了解BB84量子密码协议了解E92量子密码协议了解量子密码学的特点1§11-1量子密码学概述1970年，哥伦比亚大学的StephenWiesner首次在他的一篇论文中提出共轭编码的概念1984年，IBM公司的CharlesH.Bennett和Montreal大学的GillesBrassard基于Wiesner的思想，首次提出了BB84协议随后，美、英等国家在实验室条件下进行了多个网络通信量子密码实验20世纪90年代以来，世界各国的科学家们都把眼光锁定在

2、“量子密码学”上2评　价量子密码的安全性基于量子力学的Heisenberg测不准原理是一种理论上绝对安全的密码技术美国《商业周刊》将量子密码列在“改变人类未来生活的十大发明”的第三位任何窃取量子的动作会立刻为量子密码的使用者所知量子密码可能成为光通信网络中数据保护的强有力工具，而且要能对付未来具有量子计算能力的攻击者，量子密码可能是唯一的选择！3最新成果2002年10月，德国慕尼黑大学和英国军方的研究机构合作，用激光成功地传输了距离达到23.4公里的量子密码2003年7月，在中国科学技术大学成功铺设了总长3.2公里的一套基于量子密码的保密通信系统，该系统可以进行文本和实时动态图

3、像的传输，刷新率达到20帧／秒，满足了网上保密视频会议的要求2003年11月，日本三菱电机公司宣布用量子密码技术传送信息的传递距离可达87公里，为实用化提供了可能2004年5月，日本的科学家宣称开发出传输速度最快的量子密码，达到了每秒45kbits2004年6月3日，美国BBN技术公司称世界上第一个量子密码通信网络在美国正式投入运行，与现有因特网技术完全兼容，实现了向网络通信扩展的突破4§11-2量子密码学原理量子测不准原理微观世界的粒子有许多共轭量，如位置和速度，在某一时刻，人们只能对一对共轭量之一进行测量，不能同时测得另一个与之共轭的量5Young双孔实验杨氏无窃听双孔实验

4、杨氏有窃听双孔实验6光子特性及其利用光子在传输过程会产生振动，而振动方向是任意的偏振滤光器只允许某一方向的偏振光通过，其他方向的偏振光则以一个概率转移到偏振器的方向，如果角度减小，其概率较大光子极化可以在任意两个正交的方向进行测量“＋基极化态”“×基极化态”若光子脉冲在某一坐标轴方向极化，可在该坐标轴方向进行测量；若在其他的轴向进行测量，将得到随机结果：实现密钥分配的基础7编码方案符号位－　或∕0｜　或18量子密码基本原理量子密码学的第一个原理：对量子系统未知状态的每一次测量都不可避免地将改变系统原来的状态，除非系统与测量处于兼容的状态量子密码学的第二个原理：在通过一个通信链

5、接交换真正的机密消息之前，只用量子密码方法交换一个随机的密钥9图15－3量子密码通信系统10§15-3BB84量子密码协议无噪声BB84量子密码协议有噪声BB84量子密码协议11无噪声BB84量子密码协议量子密钥分发12阶段一：基于量子信道的通信Alice每次传输单个位，对应光子的一个极化状态，被要求等概率地使用×基极化或＋基极化方式接收方测量仪的极化方式设置得与发送方一致，就能保证正确地接收，否则正确接收的概率是50%由于×基极化和＋基极化的测量仪不兼容，根据Heisenberg测不准原理，没有人能够以高于75%的准确率收到Alice传输的光子13第二阶段：基于公共信道的两过

6、程通信过程一：原密钥的确定Bob通过公共信道告诉Alice他对每一个收到位的测量设置，Alice通过与自己的设置进行比较，向Bob返回正确的设置位。双方删除不正确的设置位以产生更短的位序列，即原密钥过程二：通过出错检查来发现入侵行为在没有噪声的环境中，双方原密钥间的任何不一致都是有入侵的证据比较从原密钥中随机选择的一个位，如果发现至少一个不一致，说明窃听行为的存在Eve逃脱发现的概率：14有噪声BB84量子密码协议阶段一：基于量子信道的通信阶段二：基于公开信道的四个通信过程过程一：确定原密钥除删除已经收到但未接受的位外，其余与无噪声情况完全一致过程二：原密钥错误估计随机取样原密

7、钥，比较并删除这些位以获得错误率的估计值，如果超过了一定的阈值，回到阶段一重新开始过程三：确定协调密钥步骤一：将原密钥按一定长度分组，公开地比较每个分组的偶校验，如果出现不一致，就启动一个双叉错误搜索。步骤一将重复步骤二：公开地随机选取剩余原密钥的子集，比较偶校验结果，每次处理所选定的密钥取样中的一位，重复N次，如果未发现错误，将余下的原密钥定义为协调密钥过程四：确定最终密钥15例：无噪声量子密钥的分发过程A生成随机比特流011010111A随机地设置滤光器＋×＋×××＋×＋A发送对应的光子