量子密钥分发课件.ppt

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1、第四章量子密钥分发提纲1BB84协议和B92协议2基于偏振编码的量子密钥分发系统的原理与实现3基于相位编码的量子密钥分发系统的原理与实现4基于纠缠的量子密钥分发系统的原理与实现5基于诱骗态的量子密钥分发系统的原理与实现6连续变量系统的量子密钥分发原理与实现7量子密钥分发中的窃听与攻击4.1量子保密通信4.1.1量子保密通信系统4.1.2量子密钥分发的含义（QuantumKeyDistribution，QKD）通信双方以量子态作为信息的载体，通过量子信道传输，从而在通信双方之间协商出密钥的一种密钥分发方法。利用

2、此密钥对经典信息进行一次一密，就可以进行理论上安全的通信。QKD的安全性是由量子力学的海森堡测不准原理，量子不可克隆定理和纠缠粒子的关联性和非定域性等来保证的。4.2BB84协议和B92协议在量子密钥分发中，总是用一个光子携带一比特的信息。根据量子的不可分割性，这一比特的信息也是不可分的。光子的多个物理量可以用来携带这一比特的信息，例如：偏振、相位和自旋方向等。4.2.1BB84协议1984年，美国IBM公司的研究员Bennett和加拿大蒙特利尔（Montreal）大学学者Brassard共同提出了利用光子偏

3、振态来传输信息的量子密钥分发协议，简称BB84协议。协议描述：BB84协议采用四个非正交态为量子信息的载体，这四个态分属于两组共轭基，每组基内的两个态相互正交。两组基互为共轭是指：一组基中的任一基矢在另一组基中的任何基矢上的投影都相等，非正交态间无法通过测量彻底分辨。协议描述：协议的具体流程描述：（1）Alice随机选择一串二进制比特。（2）Alice随机选择每一个比特转化成光子偏振态时所用的基，即垂直基或斜基。（3）Alice按照自己随机选择的基和二进制比特串来调制光子的偏振态（例：比特0对应水平偏振态和↗

4、偏振态，比特1对应垂直偏振态和↘偏振态。）并将调制后的光子串按一定的时间间隔依次发送给Bob。（4）Bob对接收到的每一个光子随机选择测量基来测量其偏振态，将结果转换成二进制比特。协议的具体流程描述：（5）Bob通过经典信道告诉Alice他所选用的每个比特的测量基。（6）Alice告诉Bob哪个测量基是正确的并保留下来，其余的丢弃，得到原始密钥。（7）Alice和Bob从原始密钥中随机选择部分比特公开比较进行窃听检测，误码率小于门限值的情况下，进行下一步；否则认为存在窃听，终止协议。（8）Alice和Bob对

5、协商后的密钥作进一步纠错和密性放大，最终得到无条件安全的密钥。Alice准备的比特串1001110101Alice发送的光子序列↑→→↘↘↑↗↑↗↘Bob选择的测量基Alice和Bob保存的结果↑→↘↗↑↘Bob得到的原始密钥101011Alice和Bob协商1101密钥1101海森堡测不准原理和量子不可克隆定理保证了BB84协议的无条件安全性。即使窃听者Eve从量子信道中截获光子并进行测量，因为非正交态不可区分，Eve不能分辨每个光子的原始状态，因此窃听会干扰到量子态，进而被Alice和Bob发现。量子密

6、钥分发协议的安全检测基于概率统计理论。BB84量子密钥分发协议中，Alice和Bob需要随机的抽取测量结果进行误码率分析，这种抽样虽然在总的测量结果中占的比例不是很大，但需要大量数据。BB84协议特点：优点：被理论证明是一种无条件安全的分发密钥方式。另外它的量子信号制备和测量相对比较容易实现。缺点：通信双方随机的选择两组基来进行窃听检测，以保证量子密钥分发的安全性。传输过程中只有不超过50%的量子比特可用于量子密钥，量子比特的利用率低；两个量子态只能传输1比特有用经典信息，且四种量子态只能代表“0”和“1”两

7、种码，编码容量也低。4.2.2B92协议1、协议原理Hilbert空间中任意两个非正交量子比特和构造两个非对易投影算符；，（4.1）和将量子比特分别投影到与和正交的子空间上，得到：（4.2）将消除量子比特，但是作用在上将得到一个确定的测量结果。同理，将消除量子比特，但是作用在上将得到一个确定的测量结果。出现的概率为：（4.3）由于和的非正交性，他们满足不可克隆定理。B92协议流程B92协议中只使用两种量子状态→和↗。Alice随机发送状态→或↗，Bob接收后随机选择“”基或“”基进行测量。如果Bob测量得到的

8、结果是↑，可以肯定Alice发送的状态是↗。得到的结果是↘，可以肯定接收的状态是→。如果Bob的测量结果是→或↗，则不能肯定接收到的状态是什么。Bob告诉Alice他对哪些状态得到了确定的结果，哪些状态他不能确定，而不告诉Alice他选择了什么测量基。最后用得到确定结果的比特作为密钥。该协议有个弱点，只有无损信道才能保证协议的安全性。否则，Eve可以对量子态进行测量，如果根据测量结果能够确定接收到的