一种应用于复杂链路的量子密钥分配系统及方法
一种量子密钥分配方案的研究
全 ］， 然 而 过长 的密钥 分配 也成 为 了一个 难题 。 基
０ 引 言
随 着现 代量 子信 息 技术 的发 展 ，量 子导 航 定位 技术 作 为未 来导 航 定位技 术 的研 究方 向，如 何确 保 导 航 信 息 的 安全 成 为 当 今 信 息 化 战 争 的 关 键 问题 之 一 。传 统 的经典 加密 的 安全性 是 基于加 密 算法 的 复杂 度 。密 文 的不 可破 译性 是 因为现 阶段 计 算机 运 算 能力 还不 够 强大 ，随着 科技 的发 展 ，计算 机性 能 的不 断 提升 尤其 是现 代分 布 式计 算技 术 的应用 ，传 统 的 密 钥 体 制 越 来 越 难 以抵 御 计 算机 日益 强 大 的 破译 能 力 ，未 来量 子计 算 机一 旦研 制成 功 ，现有 的 公开 密钥 安全 性 基本 丧失 。虽然 可 以通过 不 断增加 密 钥 的位数 ，算 法 的复杂 度 来增 强密 文 的保 密性 ，
理 论 上 可 证 明经 典 一 次 一密 密 码 体 制 是 无 条 件 安
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安 全 的传 输 信 息 而 且 能 够 侦 测 到 是 否 存 在 监 听
。
但 是现 阶段 所 制备 出的量 子系 统 比特传 输速
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量子纠缠态在量子密钥分发中的应用方法介绍
量子纠缠态在量子密钥分发中的应用方法介绍随着科技的快速发展和信息安全需求的增加，传统的加密方法面临着越来越多的挑战。
而量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）作为一种基于量子力学原理的加密技术，已经成为了解决信息安全问题的一种重要手段。
量子纠缠态作为QKD的重要资源，在量子密钥分发中起着关键作用。
本文将介绍量子纠缠态在量子密钥分发中的应用方法。
首先，我们需要了解什么是量子纠缠态。
量子纠缠态是指两个或多个量子系统之间处于无法用独立的量子态来描述的状态。
在这种状态下，无论是一个系统还是另一个系统都无法被视为独立的实体，它们的状态之间会产生关联。
这种关联被称为纠缠。
在量子密钥分发中，量子纠缠态发挥着核心作用。
首先，量子纠缠态可以提供安全的密钥分发通道。
传统的密钥分发方法面临着窃听者的威胁，攻击者可以通过拦截和窃听密钥传输的过程来获取密钥信息。
而利用量子纠缠态进行量子密钥分发，则可以有效地解决这一问题。
量子纠缠态在量子密钥分发中的应用方法主要包括BB84协议和E91协议两种。
BB84协议是目前应用最广泛的量子密钥分发协议之一。
在BB84协议中，发送方（通常称为Alice）通过量子纠缠态将密钥信息发送给接收方（通常称为Bob）。
具体而言，Alice随机选择一个量子纠缠态，并进行一系列操作后发送给Bob。
Bob接收到这些量子纠缠态之后，利用相应的操作将纠缠态还原为基态，并进行测量。
通过Alice和Bob之间的公开通信，他们可以进行密钥信息的公开匹配和错误校验。
最后，他们剩余的比特将作为最终的密钥。
由于量子纠缠态的特殊性质，任何对量子纠缠态的拦截和窃听都会导致纠缠态的崩溃，从而被Alice和Bob所察觉。
E91协议是另一种基于量子纠缠态的量子密钥分发协议。
与BB84协议类似，E91协议也是通过量子纠缠态实现密钥分发。
不同之处在于，E91协议通过测量量子纠缠态的Bell态来进行密钥信息的传输和校验。
量子密钥分发网络方案研究
随着互联网技术的不断发展和普及，网络信息安全的重要性与日俱增。
2013年“棱镜门”信息安全事件的发生，使得保障信息安全、防止窃听受到了各国的高度重视。
经典密码安全建立在计算安全性之上，其中破解年限成为评估计算安全性的主要指标。
然而，以大数质因子分解的量子计算方法的提出为例，对于用超级计算机需要几十年才能破解的2 048位密钥的RSA加密算法，如果量子计算机具有2 000个量子比特，则破解该算法只需要几个小时。
可见，计算安全性受到了严重威胁。
量子密钥分发基于量子力学的基本原理，包括测量塌缩理论、海森堡不确定原理和量子不可克隆定律，可以实现理论上无条件安全的密钥分发。
1984年，Bennett和Brassard提出第一个量子密钥分发协议——BB84协议。
2000年，BB84协议被证明是无条件安全的。
然而，BB84协议是针对点对点应用的，且由于传输损耗等原因，实现BB84协议的设备通信距离有限。
因此，在实际应用中，需要设计和建设量子密钥分发网络，以解决多用户、远距离等应用需求。
本文重点针对量子密钥分发组网方案进行研究。
第1节介绍国内外量子密钥分发网络现状，引出基于经典光学器件的网络方案和基于可信中继的网络方案两类主要方案。
第2节和第3节分别对两类方案进行分析论述，并在第4节对一种安全性更优但尚不实用的基于量子中继的网络方案进行分析论述，最后在第5节对比几种组网方案的优缺点，总结并提出量子密钥分发网络的一般性设计思想。
#1 量子密钥分发网络现状1.1 国外量子密钥分发网络2002—2007年，在美国国防高级研究规划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）资助下，BBN公司、哈佛大学和波士顿大学联合开发了第一个实地建设的量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）网络，如图1所示。
该QKD网络最终包含10个节点，其中4个节点使用光纤相位QKD 系统，使用2×2光开关切换；4个节点采用自由空间QKD系统，通过可信中继的方式接入；2个节点采用偏振纠缠的光纤QKD系统，通过可信中继的方式接入。
应用最广泛的qkd方案
应用最广泛的qkd方案以应用最广泛的量子密钥分发（Quantum Key Distribution，简称QKD）方案为标题，本文将介绍QKD的基本原理、主要应用领域以及一些相关的发展趋势。
QKD是一种基于量子力学原理的加密通信技术，它通过利用量子态的特性来实现安全的密钥分发。
在传统的加密通信中，密钥的分发需要依赖于公共信道，而这往往容易受到窃听者的攻击。
而QKD 则利用了量子的不可克隆性和测量不可逆性，确保了密钥的安全性。
QKD的基本原理是使用量子比特（qubit）来传递密钥。
发送方和接收方通过量子信道传递一系列的量子比特，并在传递过程中对它们进行测量。
由于量子态的不可观测性，任何对量子比特进行的窃听都会导致测量结果的改变，从而被发送方和接收方所察觉。
因此，通过比较两端的测量结果，可以检测出是否存在窃听者，并且可以使用剩余的比特生成一个安全的密钥。
QKD的应用领域非常广泛。
首先，它被广泛应用于保密通信领域。
由于量子态的不可克隆性，QKD可以提供一种绝对安全的密钥分发方式，有效地防止窃听者获取密钥信息。
这使得QKD在政府、军事和金融等领域的保密通信中得到了广泛应用。
QKD还可以用于量子隐形传态。
量子隐形传态是一种利用量子纠缠实现的信息传输方式，它可以在不传输实际的量子比特的情况下，将信息从发送方传输到接收方。
这种方式不仅可以用于加密通信，还可以用于量子计算和量子网络等方面。
QKD还可以应用于量子密钥认证。
量子密钥认证是一种利用量子态的特性来验证通信双方身份的方法。
通过将发送方和接收方的量子态进行比较，可以判断通信双方是否为合法的用户，并确保通信过程的安全性。
近年来，随着量子技术的快速发展，QKD的应用也在不断扩展。
例如，一些研究者提出了基于QKD的量子支付系统，利用量子态的特性实现了安全可靠的支付方式。
另外，还有研究者将QKD与传统的加密算法相结合，提出了一种混合加密系统，既保证了传统加密算法的效率，又提高了系统的安全性。
量子加密通信技术的实际操作方法
量子加密通信技术的实际操作方法量子加密通信技术是一种基于量子力学原理的通信技术，其主要目的是通过量子纠缠和量子隐形传态的特性，实现无法被破解的通信系统。
这种新兴的加密通信技术已经引起了广泛的关注，许多国家和组织都在加紧研究和应用量子加密通信技术。
本文将介绍一些常见的实际操作方法，以帮助读者更好地理解和应用量子加密通信技术。
1. 量子密钥分发量子密钥分发是实现量子加密通信的第一步。
在此过程中，发送方（Alice）和接收方（Bob）使用量子比特（qubit）进行通信。
首先，Alice通过量子加密技术生成一串随机的比特，然后将其中一些量子比特通过量子通道发送给Bob。
Bob在收到量子比特后，使用自己的量子加密技术与Alice的密钥生成过程相匹配，生成相同的密钥。
通过量子密钥分发技术，Alice和Bob可以确保第三方无法获取他们的密钥信息。
2. 量子纠缠量子纠缠是量子加密通信技术中的核心概念。
通过在量子比特之间建立纠缠态，可以实现量子通信的安全性。
在量子纠缠过程中，发送方Alice通过特定的操作将两个量子比特纠缠在一起。
接收方Bob在收到一个量子比特后，通过测量这个量子比特的某个属性，可以同时确定另一个量子比特的属性。
这种纠缠状态的特性确保了通信过程中的安全性和隐私性。
3. 量子隐形传态量子隐形传态是一种用于传输量子信息的方法，通过该方法，可以实现在量子比特之间的远程传输。
在量子隐形传态过程中，Alice首先创建一个量子比特，并与要传输的信息进行纠缠。
然后，Alice对自己的一个量子比特进行测量，并将测量结果发送给Bob。
接收到Alice的测量结果后，Bob可以通过对自己手上的量子比特进行相应的操作，重建Alice传输的量子比特和信息。
4. 量子认证量子认证是量子加密通信技术中的一项重要应用。
通过量子认证，可以验证通信中的各个环节是否受到第三方的干扰。
在量子认证过程中，Alice和Bob通过传输一串纠缠态的量子比特，验证通信信道的安全性。
量子密钥分发的应用与挑战研究与分析
量子密钥分发的应用与挑战研究与分析在当今数字化的时代，信息安全成为了至关重要的问题。
随着技术的不断发展，传统的加密方法面临着越来越多的挑战。
而量子密钥分发作为一种基于量子力学原理的新型加密技术，为信息安全带来了新的希望。
量子密钥分发，简单来说，就是利用量子力学的特性来实现安全的密钥交换。
其核心原理在于量子态的不可克隆性和测量会导致量子态的改变。
这意味着，任何对量子密钥传输过程的窃听都会被发现，从而保证了密钥的安全性。
一、量子密钥分发的应用领域1、军事与国防在军事领域，信息的保密性和安全性至关重要。
量子密钥分发可以用于军事通信，确保指挥系统、情报传递等关键信息的安全。
通过量子密钥分发生成的密钥，能够加密军事通信中的语音、图像和数据，防止敌方的窃听和破解。
2、金融行业金融交易涉及大量的资金和敏感信息。
量子密钥分发可以为金融机构之间的通信、在线交易和数据传输提供高度安全的加密保护。
防止黑客攻击和信息窃取，保障金融系统的稳定和客户的资产安全。
3、政务领域政府部门处理着大量的机密信息，如国家政策、战略规划等。
量子密钥分发可以应用于政府内部的通信网络，保护政务数据的安全传输和存储，防止机密信息的泄露。
4、物联网随着物联网的发展，越来越多的设备连接到网络。
然而，物联网设备的安全性往往相对较弱。
量子密钥分发可以为物联网设备提供强大的加密支持，保障设备之间通信的安全性，防止恶意攻击和数据篡改。
二、量子密钥分发所面临的挑战1、距离限制目前，量子密钥分发在实际应用中存在距离限制。
由于量子态在传输过程中会受到信道损耗和噪声的影响，导致其传输距离有限。
虽然研究人员不断努力改进技术，但要实现长距离的量子密钥分发仍然面临诸多困难。
2、设备成本高昂量子密钥分发需要高度精密的量子设备，如单光子源、探测器等。
这些设备的制造和维护成本较高，限制了其大规模的应用和推广。
降低设备成本，提高设备的稳定性和可靠性，是当前需要解决的重要问题。
量子密钥分发技术及其应用
量子密钥分发技术及其应用量子密钥分发技术，又称量子密码学，是指利用量子力学的原理来保护传输信息的安全性。
与传统加密方法相比，量子密钥分发技术具有更高的保密性和不可篡改性。
一、量子密钥分发的原理量子密钥分发技术的基本原理是量子态的测量。
具体来说，发送方会将密钥信息编码为量子态，并将其发送到接收方。
接收方使用相同的编码方式将其接收，并进行测量来恢复出原始的密钥信息。
在这个过程中，通过测量单个光子的偏振状态，接收方可以检测到是否有非法监听，从而保证密钥信息的安全。
二、量子密钥分发的应用量子密钥分发技术目前已经在一些领域得到了广泛的应用，例如金融、保险、医疗等。
首先，量子密钥分发技术可以用于金融行业中的网上银行和电子支付系统等。
这些涉及到的交易信息往往是非常敏感的，传统的加密方法无法保证其完全不被攻击和窃取。
因此，使用量子密钥分发技术可以大大提升交易的安全性和保密性。
其次，在医疗领域，利用量子密钥分发技术可以有效保护病人的隐私，防止医疗信息被非法窃取或泄漏。
这对保护患者的安全和隐私具有非常重要的作用。
最后，量子密钥分发技术还可以应用于保险领域。
例如，在保险理赔的过程中，利用量子密钥分发技术可以确保保险单的真实性和合法性，防止保险欺诈等非法行为的发生。
三、量子密钥分发技术的未来值得注意的是，尽管量子密钥分发技术已经在一些特定的领域得到了成功的应用，但是实际上它还有很多的局限性和挑战需要克服。
例如，由于其本身具有的技术复杂性和成本高昂性，在目前的工业应用中已经难以很好地推广和普及。
因此，未来量子密钥分发技术需要进一步降低成本和提高效率，以便更轻易地被广泛应用。
总之，量子密钥分发技术作为一项新兴的保密技术，在未来有着广泛的应用前景。
希望相关的学者和研究人员能够继续推进相关的研究和实践工作，为量子密码学技术的发展和创新做出更大的贡献。
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量子密钥分发的实用教程和实施步骤
量子密钥分发的实用教程和实施步骤量子密钥分发（QKD）是一种保障信息安全的现代密码学技术，利用量子力学的原理，确保密钥在传输过程中不被窃取或篡改。
它的核心原理是依赖于不可逆的量子测量效应和量子态的特性，使得一旦密钥被监听，就会改变其量子态，从而保护通信的安全性。
本文旨在提供一份实用教程和实施步骤，重点介绍量子密钥分发的基本原理和实际操作过程。
下面将分为四个部分介绍：一、量子密钥分发基本原理二、实施步骤：数量子密钥分发系统的搭建三、实施步骤：量子密钥生成与分发四、实施步骤：密钥鉴别与传输加密一、量子密钥分发基本原理量子密钥分发的核心基于量子力学原理，主要包括以下三个过程：1. 量子态制备：发送方将量子比特通过量子光源制备成特定的量子态，例如垂直和水平偏振态、相位态等。
2. 量子态传输：发送方通过信道将量子态发送给接收方。
此过程中，选择合适的光纤通信或者自由空间通信是非常关键的。
3. 量子态测量：接收方接收到量子态并通过量子测量得到密钥的一部分。
由于量子测量的不确定性，任何对量子态的窃听都会改变量子态的性质，从而被检测出来。
二、实施步骤：数量子密钥分发系统的搭建要搭建一个可靠的量子密钥分发系统，需要以下几个关键组件：1. 量子光源：用于制备量子粒子的光源，常见的有激光器和发光二极管。
2. 偏振保持器和相位调节器：用于确保量子态的稳定性和准确性。
3. 量子信道：用于传输量子态的通信信道，可以是光纤或者自由空间。
4. 量子检测器：用于接收并测量量子态，通常有单光子探测器和线性光子探测器。
5. 控制和分析系统：用于控制和分析搭建的整个系统，包括光源控制、信道调节和密钥分发的处理。
三、实施步骤：量子密钥生成与分发1. 量子光源的制备：根据实际需求选用合适的光源，并调节到所需的量子态。
2. 光源的稳定性检查：使用合适的测量设备检查量子光源的稳定性和强度。
3. 量子光源的优化：通过调节偏振保持器和相位调节器来优化光源的质量。
量子密钥分发网络架构、进展及应用
收稿日期:20230612基金项目:教育部中外语言合作中心非洲国家数据分析人才培养项目(21Y H 034C X 5);教育部产学合作协同育人项目(201902166001)㊂作者简介:朱宏峰(1978 ),男,辽宁盘锦人,沈阳师范大学教授,博士㊂第41卷 第6期2023年 12月沈阳师范大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g N o r m a lU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )V o l .41N o .6D e c .2023文章编号:16735862(2023)06051511量子密钥分发网络架构㊁进展及应用朱宏峰1,陈柳伊1,王学颖1,张 璐1,邢笑瑞2(1.沈阳师范大学软件学院,沈阳 110034;2.范德堡大学文理学院,纳什维尔 37235)摘 要:近年来,随着网络通信攻击手段的层出不穷,只依赖传统计算困难程度的密钥分发的安全性受到了严重威胁㊂量子密钥分发技术由于其无条件安全性的优势,与光网络结合,在信息的保密性和传递效率方面具有突出的表现㊂利用量子密钥分发技术组建的量子密钥分发网络也在全球范围内得到逐步应用并且不断发展㊂重点总结了量子密钥分发各项协议及量子密钥分发网络的发展历程,以量子密钥分发网络所面临的生存性和连通性,以及中继节点的布置问题为切入点,分析了量子密钥分发网络目前存在的不足及现有的各种解决方案㊂最后,从实际的角度出发,分析和总结了量子密钥分发网络的应用现状,通过量子密钥分发在线与离线相结合的方式,使量子密钥分发网络的可推广性变得更强,同时,边缘网关到物联网终端设备的量子密钥分发也大大促进了量子密钥分发网络与现有物联网设备的结合应用㊂关 键 词:量子安全网络架构;量子密钥分发网络;可信中继;光网络中图分类号:T P 319 文献标志码:A d o i :10.3969/j .i s s n .16735862.2023.06.006A r c h i t e c t u r e ,p r o g r e s s ,a n d a p p l i c a t i o n s o f q u a n t u m k e y d i s t r i b u t i o nn e t w o r k sZ HU H o n g f e n g 1,C H E N L i u y i 1,WA N G X u e y i n g 1,Z HA N G Lu 1,X I N GX i a o r u i 2(1.S o f t w a r eC o l l e g e ,S h e n y a n g N o r m a lU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g 110034,C h i n a ;2.C o l l e g e o fA r t s a n dS c i e n c e ,V a n d e r b i l tU n i v e r s i t y,N a s h v i l l e 37235,U S A )A b s t r a c t :I n r e c e n t y e a r s ,w i t h t h e e n d l e s s e m e r g e n c e o f n e t w o r k c o mm u n i c a t i o n a t t a c k m e t h o d s ,t h es e c u r i t y o fk e y d i s t r i b u t i o nt h a to n l y r e l i e so nt r a d i t i o n a l c o m p u t i n g d i f f i c u l t y h a s b e e ns e r i o u s l y t h r e a t e n e d .Q u a n t u m k e y d i s t r i b u t i o nt e c h n o l o g y ,b e c a u s e o fi t s u n c o n d i t i o n a l s e c u r i t y a d v a n t a g e s ,c o m b i n e d w i t h o p t i c a ln e t w o r k s ,h a s o u t s t a n d i n g r e s u l t si ni n f o r m a t i o n c o n f i d e n t i a l i t y a n d t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y .T h e q u a n t u m k e y d i s t r i b u t i o n n e t w o r k b a s e d o n q u a n t u mk e y d i s t r i b u t i o n t e c h n o l o g y h a s a l s o b e e n g r a d u a l l y a p p l i e d a n d d e v e l o p e dw o r l d w i d e .T h i s p a p e r f o c u s e s o ns u mm a r i z i n g t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y o f q u a n t u m k e y d i s t r i b u t i o n p r o t o c o l sa n d q u a n t u m k e y d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s .S t a r t i n g f r o mt h e s u r v i v a b i l i t y a n d c o n n e c t i v i t y o f q u a n t u mk e y d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s a n d t h el a y o u t o fr e l a y n o d e s .i n t h i s p a p e r w e a n a l y z e st h e c u r r e n t s h o r t c o m i n g so f q u a n t u m k e y d i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa n dv a r i o u se x i s t i n g s o l u t i o n s .F i n a l l y,w e a n a l y z e sa n ds u mm a r i z e st h ea p p l i c a t i o ns t a t u so f q u a n t u m k e y d i s t r i b u t i o n n e t w o r kf r o m t h e p r a c t i c a l p o i n t o fv i e w.T h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no f q u a n t u m k e y di s t r i b u t i o no n l i n ea n do f f l i n e ,t h e q u a n t u mk e y d i s t r i b u t i o nn e t w o r kh a sb e c o m em o r e s c a l a b l e .A t t h e s a m e t i m e ,t h e q u a n t u m k e y d i s t r i b u t i o nf r o m t h ee d g e g a t e w a y t ot h eI n t e r n e to f T h i n g st e r m i n a ld e v i c e sh a s g r e a t l yp r o m o t e d t h ec o m b i n a t i o no f q u a n t u m k e y d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n de x i s t i n g I n t e r n e to fT h i n g s d e v i c e s .615沈阳师范大学学报(自然科学版)第41卷K e y w o r d s:q u a n t u ms e c u r i t y n e t w o r ka r c h i t e c t u r e;q u a n t u m k e y d i s t r i b u t i o nn e t w o r k;t r u s t e dr e l a y;o p t i c a l n e t w o r k1量子密钥分发网络的发展1.1量子密钥分发网络的实施量子通信领域虽然在近些年取得了很多重大进展,但是现在的量子通信技术只能在有限距离内实施,实现长距离的量子通信仍然非常困难㊂这是因为信道中存在量子损耗和噪声㊂B r i e g e l等[1]在1998年提出了利用纠缠交换和纠缠纯化的量子中继器解决在较长距离通信中量子的损耗和噪声问题,其原理如图1所示㊂即把参与信息传送的双方之间的传输通道拆分成若干段,每一段都要制备纠缠并对其进行纯化,利用相邻段与段之间的纠缠交换,使传输距离更远㊂这种纠缠交换与纯化的情况重复进行,直到通信保真度无限接近1㊂图1量子密码学的发展历程及相关理论F i g.1D e v e l o p m e n t h i s t o r y a n d r e l a t e d t h e o r i e s o f q u a n t u mc r y p t o g r a p h y量子密钥分发(q u a n t u mk e y d i s t r i b u t i o n,Q K D)网络实施往往依赖光交换或可信中继㊁不可信中继,或者使用量子中继器作为解决方案㊂目前,光交换和可信中继方案比基于不可信中继和量子中继器的方案更为成熟㊂1)基于光交换的Q K D网络:可以将光束分割或切换等几种经典光学功能用于传输量子信号,以连接一对Q K D节点㊂量子信号可以通过短量子链路传输,而无需与不可信节点进行任何交互㊂因此,与长途链路相比,这些短链路不太容易被攻击和窃听㊂2)基于可信中继的Q K D网络:与上述基于光交换的Q K D网络的场景相反,在基于可信中继的Q K D网络(通常称为可信节点Q K D网络)中,通过为每个Q K D链路生成本地密钥,将其存储在位于每个Q K D链路两端的节点中实现长距离传输㊂密钥沿着Q K D路径以逐跳的方式从源节点转发到目的节点㊂这种Q K D 网络实用性和可扩展性强,已被广泛用于现实Q K D 网络的部署㊂3)基于不可信中继的Q K D 网络:必须依赖更安全的Q K D 协议,如设备无关的量子密钥分发(m e a s u r e m e n t -d e v i c e -i n d e p e n d e n tQ K D ,M D I -Q K D )和基于量子纠缠的协议㊂依赖M D I 协议的不可信中继通常比基于可信中继的协议具有更好的安全性,因为它可以消除测量端的几乎所有安全漏洞,它甚至允许不受信任的中继被窃听者控制,但不会影响Q K D 的安全性㊂基于不可信中继的协议也能够相当大地扩大Q K D 的安全实现距离㊂例如,双场量子密钥分发(t w i n -f i e l dQ K D ,T F -Q K D )协议中的不可信中继可达到的距离约为500k m [2]㊂4)基于量子中继器的Q K D 网络:量子中继器可以减轻对量子信号的距离依赖性损伤㊂位于中间节点的量子中继器可以依靠量子纠缠交换的过程在源节点和目的节点之间产生长距离纠缠㊂量子中继器有望在不直接测量或克隆量子信号的情况下转发量子信号,然而这种理想化的量子中继器仍然有待实现㊂1.2 Q K D 网络架构Q K D 网络的一般架构与经典网络密不可分㊂Q K D 网络现已在通信和安全基础设施中得到初步应用,如合肥城域网[3],它是基于三节点可信中继的Q K D 网络,使用了诱饵状态B B 84协议和商业光纤链路,实现了O T P (o n e -t i m e p a s s w o r d )加密的实时音频通信;2018年的基于卫星的中奥洲际Q K D 网络[4]使用连续变量Q K D [5](c o n t i n u o u s -v a r i a b l eQ K D ,C V -Q K D )协议连接了3个不同的站点㊂Q K D 网络的通用3层架构由3个逻辑层组成:Q K D 层㊁控制层及应用层,如图2所示㊂图2 Q K D 网络基本架构F i g .2 B a s i ca r c h i t e c t u r eo f Q K Dn e t w o r k 1)Q K D 层:该层由Q K D 网络设计的各种物理设备(如Q K D 节点和链路)组成,Q K D 节点间可以通过光纤或自由空间链路互连,Q K D 节点之间可以生成对称比特串作为密钥,生成的密钥存储在Q K D节点中㊂每个Q K D 节点都保存其详细的密钥参数,如标识符㊁比特长度㊁传输速率和时间戳等㊂每个Q K D 节点还存储链路参数(如链路的长度和类型)及量子信道的错误率信息㊂2)控制层:该层由Q K D 网络控制器和管理器组成,其中,所有的Q K D 节点都由Q K D 网控制器控制,该控制器负责激活和校准Q K D 节点,并对整个Q K D 网络进行控制,其中包括监视所有Q K D 节点和链路的状态,并监督Q K D 网络控制器[6]㊂通过监测和管理获得的统计数据可以被读取,随后记录在数据库中,存储在Q K D 节点中的密钥都在安全链路中传递,而不能被Q K D 网络控制器或管理器访问,因而在添加控制器后,密钥的安全性仍然能够得到保证[7]㊂许多控制层在设计时引入了软件定义网络(s o f t w a r e -d e f i n e dn e t w o r k i n g ,S D N ),通过逻辑集中控制的方法对整个Q K D 集成光网络进行科学管理㊂S D N 具有多样化的资源分配能力和高效的全局控制能力,这些能力已在具有分时Q K D 资源的715 第6期 朱宏峰,等:量子密钥分发网络架构㊁进展及应用815沈阳师范大学学报(自然科学版)第41卷S D N控制光网络中得到了验证㊂3)应用层:由用户所需的加密应用程序组成㊂首先,应用程序向管理层通知其安全请求(即密钥的安全需求),根据这些请求,管理层从相应的Q K D节点查询所需密钥的可用性㊂如果实时密钥可用于支持加密应用,则Q K D管理层指示为应用提供加密密钥,否则应用程序应该等待提供密钥㊂最后,使用密钥对应用程序链接上的数据传输进行加密㊂应用程序获取到密钥后对其进行管理和使用㊂每个Q K D网络可以支持的用户数量由密钥资源和密钥需求决定㊂因此,密钥资源和用户需求之间如何达到最优的问题是应用层需要关注的重点㊂2 Q K D网络架构的发展2.1Q K D网络的基本架构[8]该架构由4层组成,即应用层㊁控制层㊁Q K D层和数据层,如图3(a)所示㊂应用层:在应用层中生成光路请求,其中包括2种请求,一种是需要Q K D安全性的光路(Q K D s e c u r e d l i g h t p a t h,Q L P)请求,一种是没有Q K D参与的普通光路(l i g h t p a t h,L P)请求㊂随后Q L P和L P请求都被传送到控制层进行进一步处理㊂应用程序层上可以拒绝或者接受Q L P请求和L P请求㊂控制层:控制层由控制和管理网络资源的软件定义网络(S D N)控制器组成㊂控制层分别从Q K D 层和数据层中的量子信道和经典信道向Q L P和L P请求需要分配的资源㊂Q K D层:Q K D层由量子通信节点(q u a n t u mc o mm u n i c a t i o n n o d e s,Q C N s)组成,Q C N之间的连接通过量子信道和经典信道建立㊂Q K D层的具体实现依赖所使用的Q K D协议,在Q K D层中Q L P请求的每个节点对之间进行密钥生成和分发㊂数据层:L P请求在不涉及Q K D层的情况下直接传输到数据层,并被分配波长资源,Q L P请求也被传输到数据层,通过经典信道传输的数据使用在Q K D层生成的密钥加密,在数据节点之间进行数据传输㊂为了在网络体系结构的四层之间建立安全可靠的通信服务,研究者们在架构中加入了不同的协议㊂为了实现控制层和Q K D层,以及控制层和数据层之间的南向接口,可以使用开放流(o p e n f l o w,O F)协议或网络配置(n e t w o r kc o n f i g u r a t i o n,N E T C O N F)协议[9]㊂南向接口用于将对应Q L P请求和L P请求的控制信号分别从S D N控制器发送到Q K D层和数据层㊂R E S T f u l应用程序接口(a p p l i c a t i o n p r o g r a mi n t e r f a c e,A P I)用于实现控制层和应用层之间的北向接口,通过北向接口交换L P请求和Q L P请求的属性(节点㊁比特率要求等)和状态(接受㊁拒绝等)[10]㊂在接收到来自应用层的L P请求时,控制层执行来自经典信道的路由和资源分配指令,并且将控制信息直接发送到数据层,使用所选择的路由和所分配的经典信道资源来发送信息㊂对于Q L P请求,控制层配置Q K D层并在Q C N之间生成密钥,并且执行来自量子信道和公共信道的资源分配㊂然后,控制层将信息发送给数据层,使用在Q K D 层生成的密钥加密要发送的信息,然后通过所选择的路由和来自经典信道所分配的频率资源来发送该信息㊂对于L P请求和Q L P请求,数据层与控制层进行确认,更新网络资源请求的状态,并且将Q L P/ L P的接受或拒绝的状态转发到应用层㊂2.2基于量子密钥池的Q K D网络架构[11]基于量子密钥池(q u a n t u mk e yp o o l s,Q K P s)的Q K D网络架构在原本架构的基础上引入了量子密钥池实现有效地管理密钥资源,量子密钥池用于存储Q K D网络中每对Q C N之间生成的密钥,如图3(b)所示㊂该架构中构建了2种类型的密钥池,分别在S D N控制器和网络中的每个Q C N之间加入密钥池(Q K P1,Q K P2, ),以及在网络中的一对Q C N之间建立密钥池(Q K P1-2)㊂网络中不同对Q C N之间的同步密钥存储在Q C N的各自量子密钥服务器(q u a n t u ms e c r e t k e y s e r v e r,Q K S)中,存储在各对Q K P之间的同步密钥可以虚拟化为各自的Q K P,实现按需提供密钥㊂例如,Q C N1和Q C N2之间的同步密钥存储在它们各自的Q K S中,即Q K S1和Q K S2中,存储的密钥被虚拟化为Q K P,根据不同的安全要求为数据加密和解密服务提供密钥㊂从应用层接收到Q L P请求时,控制层首先计算路径,然后在选择的路径上与相应的Q K P执行O p e n F l o w握手,控制层配置Q K P1和Q K P2,以便通过控制信道为控制消息提供密钥,控制层配置Q K P1-2为D C N1(d a t a c o mm u n i c a t i o nn o d e s)到D C N2的Q L P 请求提供密钥㊂控制层随后将控制指令发送到数据层,使用密钥加密要发送的信息,通过所选择的路由和来自经典信道所分配的资源发送该加密后的信息,最终进行控制层与应用层的确认㊂图3 Q K D 网络架构的发展F i g .3 D e v e l o pm e n t o f Q K Dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e 2.3 基于Q K D 即服务的有可信中继参与的Q K D 网络架构[12]Q K D 即服务(Q K Da s a s e r v i c e ,Q a a S )是由C h o 等[13]在2017年提出的一种概念,即多个用户可以申请不同的Q K D 安全光路请求,以便从同一网络基础设施中获得所需的密钥速率(s e c r e t k e y r a t e s ,S K R )㊂2019年,C a o 等利用这一概念提出了一种用于Q K D 即服务的新S D N 架构,即S D Q a a S 框架,在原有基础上加入了可信中继节点(t r u s t e d r e pe a t e r n o d e s ,T R N s ),以使Q K D 网络基础结构上的多个用户都能被提供灵活的Q a a S ,如图3(c )所示㊂这里只讨论用于远程安全通信的2个Q C N (Q C N 1和Q C N 2)及2个Q C N s 之间的T R N ㊂点对点Q K D 机制分别在Q C N 1和T R N ,T R N 和Q C N 2之间实现,在量子链路上可以获得不同的密钥速率㊂当用户请求Q L P 以满足Q C N 1和Q C N 2之间所需的密钥速率时,计算源节点(Q C N 1)和目标节点(Q C N 2)之间的路径,为每个用户检查他们所需的密钥速率并在量子链路上搜索可用的密钥速率,如果能够满足用户需求,则从相关链路中选择所需的密钥速率用于该Q L P 请求,否则该Q L P 申请将会被拒绝㊂在S K R 选择之后,T R N 在Q L 1上使用所获得的密钥在Q L 2上加密所获得的秘密密钥,之后T R N 将加密数据从Q C N 1中继到Q C N 2㊂为了解密原始数据,Q C N 2可以在Q L 2上使用获得的密钥,并且在Q L 1上与Q C N 1共享获得的密钥,之后将基于密钥速率获得的密钥分配给发出请求的用户㊂在这个Q K D 即服务的S D N 架构(S D Q a a S )体系结构中,Q a a S 的功能包括Q L P 请求的创建㊁修改和删除㊂具体内容为接收到来自应用平面的Q L P 创建请求时,控制平面首先计算并选择源节点和目的节点之间的路由,并搜索每个相关Q L 上的密钥速率时隙的可用性,依据用户需求选择S K R 时隙㊂当用户的密钥速率需求改变时,为该用户建立的Q L P 请求也会相应发生改变㊂此外,当Q L P 请求到期时,应用平面将该请求删除,控制平面控制源节点和中继节点以停止向该Q L P 请求分配密钥速率并删除该Q L P 要求的信息㊂2.4 基于不可信中继或混合不可信中继的Q K D 网络架构[14]基于不可信中继或混合不可信中继的Q K D 网络架构概念由C a o 等在2021年提出,在有可信中继915 第6期 朱宏峰,等:量子密钥分发网络架构㊁进展及应用025沈阳师范大学学报(自然科学版)第41卷参与的Q K D网络架构中加入了不可信中继节点,更加保证光网络的传输安全性㊂文献[15]中介绍了一种新的基于混合可信和不可信中继Q K D的网络架构,如图3(d)所示,该网络架构可在大规模Q K D 部署中使用㊂该网络架构中一共需要3种类型的节点,即Q C N,T R N和不可信中继节点(u n t r u s t e d r e l a y n o d e s,U T R N)㊂其中Q C N的作用是充当向其位于同一位置的D C N提供密钥的末端节点, U T R N充当2个Q C N之间的中间节点㊂T R N包括2个或多个M D I-Q K D发送器㊁本地密钥管理器(接收㊁存储和中继密钥)和安全基础设施㊂U T R N包含2个或多个M D I-Q K D接收器㊂为了使用可信或不可信中继在Q K D的2个节点(Q C N1和Q C N2)之间建立安全的远程通信,在Q C N1和T R N1之间共享一个密钥串k1,而在T R N1和Q C N1之间共享另一个密钥字符串k2,图中T R N和U T R N可以交织在一起,以进一步扩展Q K D的传输范围㊂在每个T R N中,本地密钥管理器可以通过密钥管理链路沿着混合Q K D链中继密钥㊂例如,在T R N1中密钥管理器使用一次一密加密方法组合相同字符串长度的k1和k2,并将其发送到Q C N2中的密钥管理器中㊂Q C N2中的密钥管理器可以基于k2解密获得密钥k1㊂Q C N1和Q C N2的密钥管理器向它们连接的密钥服务器发送Q,k1,由此k1才能在Q C N1和Q C N2之间被成功共享,即使有不可信中继的参与也能安全地完成密钥传递和分发㊂3 Q K D网络面临的挑战和解决方法3.1密钥池供求失衡Q K D网络中由于需要进行密钥资源的生成和传递,密钥池作为特殊组件在密钥的存储和传输中发挥了重要作用,它是决定Q K D网络密钥供给能力好坏的重要设备,但也会因为链路中断等问题造成密钥供求失衡而带来安全隐患[16]㊂网络正常运行时,密钥池中密钥量的消耗程度主要由密钥的生成速率与消耗速率来决定,密钥池中为满足安全需求,密钥存储量至少是要大于0的㊂链路意外发生故障后,链路中的量子密钥分发过程也随之中断,密钥池无法生成密钥,但是密钥消耗速率依旧保持不变,仅仅只靠存储量维持㊂由于消耗速率存在,密钥池中的现有密钥量将无法满足供给而最终降为0,直至无法满足后续的安全需求,进而对整个Q K D网络造成极大影响㊂如图4(a)所示,节点1和2之间的链路发生故障,导致密钥无法生成,则此时只靠密钥池中存储的密钥为用户提供密钥服务,当密钥池中的密钥存储消耗完毕后,将无法再为用户提供密钥供给,对整个Q K D网络造成极大危害,也是Q K D网络现如今面临的亟待解决的一大问题㊂为了在安全级别和资源利用效率之间保持平衡,文献[11]中提出了一种新的密钥按需策略,该策略在软件定义网络上使用Q K P 构建技术保护数据信道,具有Q K P功能的密钥按需分配方案根据需要将密钥资源分配给Q L P请求,有效地解决了这一问题㊂在文献[17]中针对密钥消耗问题,不同Q K P中的密钥被不断消耗,其消耗数量可以是固定的或灵活的,这主要取决于在网络中的Q C N之间传输的保密信息的安全要求,这也能够有效解决密钥供需不均衡的问题㊂除密钥池的供求失衡问题外,T R N的短距离放置也会导致出现资源浪费问题,如图4(b)所示,在城域网络中使用过多中继节点会造成密钥资源的浪费㊂3.2路由㊁波长和时隙分配在Q K D网络中,可用的光波段被细分为量子信道㊁传统数据信道和公共信道,为传统数据信道保留的波长通过与用于经典光网络的方式相同的方式被分配用于数据传输的光路请求㊂然而,分配给公共信道和量子信道的波长是采用光时分复用(o p t i c a l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g,O T D M)方案,对于建立Q K D安全光路的请求,是在定义路由之后在传统数据信道上分配波长,在公共信道和量子信道上分配时隙㊂因为波长资源是有限的,并且随着量子密钥的分发,可用于经典通信的波长数量将会进一步减少,因而如何更有效地利用它们,以便用所需的安全级别建立更大数量的光路请求将是一大难题㊂针对此问题,研究者们提出了各种解决方案,C a o等[8]提出了一种在静态流量场景中进行路由波长和时隙分配的策略,通过建立整数线性规划模型,为Q L P建立不同等级的安全级别㊂图4展示了具有2个不同安全级别的Q L P的时隙分配场景,这2个安全级别被分配了不同的密钥更新周期T㊂图4(c)展示了具有固定周期的安全级别方案,并且对为公共信道和量子信道保留的所有波长都是相同的㊂在另一种分配场景中,如图4(d)所示,周期的值是固定的,但是对不同的波长则有所改变,由于固定周期更容易被窃听者破解,因而第二个方案具有更高的安全保障㊂在文献[18]中引入了一种新的密钥更新周期方案,在这种方案中周期是灵活并且动态变化的,通过增加复杂性从而达到增强Q L P的安全性㊂文献[19]中引入了一种采用Q K P 技术的时间调度方案,在该方案中,路由波长和时隙分配问题是通过考虑3个子问题来解决的,即固定/灵活的密钥消耗㊁均匀/非均匀的时隙分配和时隙连续/离散的Q K P构造,以有效解决路由波长和时隙分配问题㊂根据Q K P 构造的安全性要求,为不同的Q K P 分配的时隙数量可以是单一的或灵活的,不同Q K P 的构造是否占用2个Q C N 之间的时隙,取决于是否存在有密钥缓存功能的Q C N ㊂图4 Q K D 网络中的密钥池供求失衡情况㊁中继节点较短距离中的资源浪费现象及2种不同的安全级别方案F i g .4 K e yp o o l s u p p l y a n dd e m a n d i m b a l a n c e i nQ K Dn e t w o r k ,r e s o u r c ew a s t e i n s h o r t d i s t a n c e r e l a y n o d e s ,a n d t w od i f f e r e n t s e c u r i t yl e v e l s c h e m e s 3.3 Q K D 网络生存性和连通性在Q K D 网络中,除了典型的L P 故障外,节点/链路故障也会影响工作Q L P 的安全性,此外,大规模故障如地震㊁海啸或人为引起的故障都可能会严重损害Q L P 的安全性,甚至造成Q K D 网络中的大量数据丢失㊂因此,在Q K D 网络中网络生存性是一个更大的挑战㊂与传统网络保护方法相同的是,Q K D 网络中需要为传统数据信道㊁量子信道和公共信道上的L P和Q L P 保留备份资源㊂为了切实解决这一问题,研究者们提出了不同的解决方案㊂王华[20]开发了密钥流模型,通过研究密钥恢复策略以保护Q K D 网络中受故障影响的密钥供应服务㊂L u 等[21]提出了一种新的动态波长和关键资源调整算法,该资源调整方案总共包括3种方案:如果波长资源足够,而密钥资源不足以满足Q L P 请求,则动态调整密钥的存储量;如果Q S C h 和T D C h 的波长和密钥资源超过阈125 第6期 朱宏峰,等:量子密钥分发网络架构㊁进展及应用225沈阳师范大学学报(自然科学版)第41卷值,则分别加上Q S C h,T D C h波长;在其他正常情况下,则不需要进行资源调整㊂在现实的Q K D网络中,用户总是处于不同的地理位置中的不同区域,空间跨度很大,用户密钥需求的请求需要跨越地理距离障碍才能实现成功传输㊂但是现有Q K D网络密钥分发方案通常只能解决局部网络内的安全请求,无法实现跨区域下的密钥供给㊂因此,突破不同区域的密钥分发连通性障碍具有十分重要的意义㊂端到端的对用户的密钥供给面临着长距离跨区域密钥分发的技术难点,需要通过分布式区域网络相互协商,网络之间需要经过较为复杂的交互㊁决策及实施各种流程,当遇到极大数量密钥分发方案的时候,就需要Q K D节点具备强大的计算能力,这大大增加了Q K D网络部署的难度㊂王华[20]提出的端到端Q K D网络架构,增强了不同Q K D网络的连通性,形成了具备互联互通技术特点的创新方案㊂3.4中继节点的布置问题在Q K D网络中,与经典网络相比,量子信号的传输范围明显更短,为了实现将Q K D网络与链路距离在数百至数千公里范围内的现有光网络集成,需要布置一些中继节点以实现量子信号在光网络的节点之间的长距离传输,中继节点可以使用T R N,因为可信的中继节点无疑会增加网络的安全性㊂因此, T R N的放置问题是Q K D网络中的另一个重要问题㊂T R N的放置本身是为了实现远距离的安全传输,但是实际过程中也存在许多问题,问题之一就是短距离放置导致的资源浪费问题㊂例如,在Q K D 链路中,从源节点(Q C N1)到目的节点(Q C N4),对于每个中间节点对,生成相同大小的密钥,即Q K1,Q K2和Q K3㊂密钥在节点之间传输过程中,不断被中间节点以加密和解密的方式传输,即使在中间节点T R N处进行了多次加密和解密处理之后,源和目的地也使用相同的密钥Q K1来保护Q L P㊂但是在一些城域网络中,任意2个节点之间的距离较小,放置过多的T R N反而会导致大量密钥资源的浪费㊂如图4(b)所示,当节点1请求安全服务与节点2共享密钥时,路由路径计算为节点1 中继节点 节点2,为了获得共享密钥,需要2个Q K D进程分别生成S k1和S k2,并在中继节点上进行加密和解密操作,但是消耗的键数将是请求键数的2倍㊂如果节点1直接通过节点2分发密钥而绕过中继节点,则只需要消耗一组密钥来获得S k㊂因此,在城域网络中使用过多中继节点造成了密钥资源的浪费㊂针对这种问题,设计了一种新的量子节点结构[22],如果网络中2个节点之间的距离在一定范围内,则该结构具有绕过T R N节点的能力㊂在Q K D网络中,有3种不同的基于中继的解决方案用于远距离的安全通信,分别是基于量子中继器的Q K D㊁基于T R N的Q K D和基于M D I-Q K D的通信方案㊂但是由于不同的方案都有各自的缺陷,为了解决上述问题,提出了一种新的基于可信/不可信中继的混合Q K D网络架构[15,23],该架构由可信中继和不可信中继组成,实现了3种不同方案的融合,大大提高了Q K D网络的资源利用效率㊂4量子密钥分发网络的应用4.1基于量子密钥在线分发的量子保密通信网络基于量子密钥在线分发的量子保密通信网络适用于对安全性要求高并且对密钥更新有一定要求的网络通信应用场景,比较典型的应用包括政企保密专网㊁高端学术安全会议或数据中心之间的数据安全传输,或监控系统数据安全传输等场景,其在现实中的应用也取得了较大进展㊂Q K D网络通过量子密钥服务器设备向量子加密通信设备提供量子密钥服务,随后加密通信设备利用量子密钥,通过经典通信网络完成量子加密通信服务;密钥服务器与加密设备之间通过量子密钥应用接口(Q K_A P I)互联[24]㊂利用标准化的接口兼容不同业务类型,使得Q K D网络㊁经典通信网络和业务系统三者结合,实现Q K D 网络的高效运行㊂4.2基于量子密钥在线与离线结合的量子保密通信网络基于量子密钥在线与离线结合的量子保密通信网络是指通过Q K D网络生成的量子密钥运用安全通信技术分发给用户终端㊂其优势在于不受Q K D网络覆盖面积的影响㊁使用方式便捷灵活㊁可应用性和可推广性强,同时,需要的Q K D网络的花费成本也相对较低㊂其劣势在于安全性无法与在线分发模式相比㊂中国电信在2021年推出的天翼量子密话就是采用在线与离线相结合的Q K D网络实现的,它能够实现高质量V o I P量子加密通话,之后的V o L T E加密通话产品更是能够实现高清秘密通话,其基。
量子密钥分配的原理示意图
图1为量子密钥分配的原理示意图，图1左图中的小黄球代表单个光子，黑色箭头代表光子的偏振方向，左边蓝色人是信息发送方，而绿色人是接收方。
收发双方都手持偏振滤色片，发送方有四种不同的滤色片，分别为上下、左右偏振（第一组）、上左下右、上右下左偏振（第3组）4种滤色片，发送方把不同的滤色片遮于光子源前，就可分别得到4种不同偏振的光子，分别用来代表“0”和“1”。
请注意，每个代码对应于两种不同的光子偏振状态，它们出自两组不同偏振滤色片（图1中的左下角，它和通常光通信的编码不尽相同）。
接收方就只有两种偏振滤色片，上下左右开缝的“+”字式和斜交开缝的“×”字式。
由于接收方无法预知到达的每个光子的偏振状态，他只能随机挑选两种偏振滤色片的一种。
接收方如果使用了“+”字滤色片，上下或左右偏振的光子可以保持原量子状态顺利通过（见图中上面的第一选择，接收方用了正确的滤色片），而上左下右、上右下左偏振的光子在通过时量子状态改变，变成上下或左右偏振且状态不确定（见图1中第四选择，用了错误的滤色片）。
接送方如果使用×字滤色片情况正好相反，见图1中第2选择（错误）和第3选择（正确）。
图1 量子密钥分配技术原理示意图1右图第1横排是发送方使用的不同偏振滤色片，从左至右将9个不同偏振状态的光子随时间先后逐个发送给下面绿色接收方，这些光子列于第2排。
接收方随机使用“+”字或“×”字偏振滤色片将送来的光子逐一过滤，见第3排，接收到的9个光子的状态显示在第4排。
这里是密钥（key）产生的关键步骤：接收方通过公开信道（电子邮件或电话）把自己使用的偏振滤色片的序列告知发送方，发送方把接收方滤色片的序列与自己使用的序列逐一对照，然后告知接收方哪几次用了正确的滤色片（图2，打勾✔的1，4，5，7，9）。
对应于这些用了正确滤色片后接收到的光子状态的代码是：00110，接发双方对此都心知肚明、毫无疑义，这组代码就是它们两人共享的密钥。
量子密码学的基本原理及应用示例
量子密码学的基本原理及应用示例量子密码学是一种基于量子力学原理的安全通信方法，通过利用量子特性来保障信息的安全性。
与传统的密码学相比，量子密码学能够提供更高级别的安全性，因为量子力学的性质使得任何对信息的窃听、篡改和伪造都会被立即检测到。
本文将介绍量子密码学的基本原理，并举例说明其在实际应用中的一些示例。
量子密码学的基本原理包括量子键分发、量子信息编码和量子密钥分发。
量子键分发是量子密码学的核心概念，它利用量子纠缠和量子不可克隆性原理来达到密钥分发的安全性。
量子纠缠是指两个或多个量子系统之间存在着非经典的相互关联，其测量结果之间具有确定性的关系。
通过将两个量子比特进行纠缠，然后测量其中一个比特的状态，可以保证另一个比特的状态也会发生相应的变化。
这种纠缠关系使得任何对量子比特的窃听都会导致其状态被改变，并能够通过比特间的纠缠关系来检测窃听的存在。
量子信息编码则是将传统的数字信息编码成量子比特的形式，并将其传输到接收方进行解码。
在传统的密码学中，信息编码的安全性依赖于密码的复杂性和加密算法的强度。
然而，在量子密码学中，信息编码的安全性取决于量子比特的性质，如不可克隆性和纠缠关系。
由于量子比特的状态在测量之前无法被知晓，即使敌方拥有传输的量子比特，也无法获取到其中的信息内容。
量子密钥分发是利用量子纠缠和量子信息编码来分发密钥并确保其安全性。
在密钥分发过程中，发送方通过将密钥编码为量子比特并发送给接收方。
接收方在接收到量子比特后，利用纠缠关系测量其中的比特，并根据测量结果重建密钥。
由于量子比特的状态在传输过程中是保持秘密的，同时量子纠缠的特性也可以检测到任何对密钥的窃听行为，因此量子密钥是安全的。
量子密码学在实际应用中有许多示例。
其中最重要的应用之一是量子密钥分发用于安全通信。
通常在传统的通信中，公钥密码学被用于安全地交换密钥，但该方法仍然存在被窃听和破解的风险。
通过使用量子密钥分发，可以确保密钥在传输过程中不会被窃听，从而实现了更高级别的安全性。
量子密钥分发的应用与挑战研究与发展与分析
量子密钥分发的应用与挑战研究与发展与分析在当今信息时代，信息的安全传输至关重要。
量子密钥分发作为一种新兴的加密技术，为信息安全提供了前所未有的保障。
然而，如同任何新技术一样，它在发展过程中既展现出了广阔的应用前景，也面临着诸多挑战。
量子密钥分发，简单来说，是利用量子力学的特性来实现安全的密钥交换。
与传统的加密技术相比，其最大的优势在于理论上的无条件安全性。
这是因为量子力学的基本原理，如测不准原理和量子不可克隆定理，使得任何对量子态的测量和复制都会被察觉，从而保证了密钥的安全性。
在应用方面，量子密钥分发首先在军事和政府领域展现出了巨大的潜力。
军事通信中的情报传递、战略指挥等，对信息安全的要求极高。
量子密钥分发能够确保军事通信不被敌方窃取和破解，为国家安全提供坚实的保障。
在政府部门，涉及到国家机密、政务决策等重要信息的传输，量子密钥分发也能够有效地防止信息泄露。
金融领域也是量子密钥分发的重要应用场景之一。
随着金融交易的数字化程度不断提高，网络安全风险日益凸显。
银行间的资金转移、证券交易等，一旦密钥被破解，将造成巨大的经济损失。
量子密钥分发可以为金融交易提供高度安全的加密通信，保障金融数据的安全。
此外，能源、交通等关键基础设施的控制和监测系统也需要可靠的信息安全保障。
量子密钥分发能够防止恶意攻击者篡改数据或控制关键设施，确保基础设施的正常运行。
然而，量子密钥分发在发展过程中也面临着一系列挑战。
首先是技术方面的限制。
目前，量子密钥分发的传输距离和传输速率仍然有限。
由于量子信号在传输过程中容易受到损耗和干扰，长距离传输时信号质量会大幅下降，导致密钥生成的效率降低。
此外，量子密钥分发系统的成本较高，包括量子光源、探测器等关键器件的价格昂贵，这也限制了其大规模的应用。
在标准和规范方面，目前量子密钥分发尚未形成统一的国际标准。
不同的研究机构和企业采用的技术方案和协议存在差异，这给量子密钥分发的推广和应用带来了一定的困难。
量子秘密共享方案及其应用
量子密码学的未来发展方向
发展量子密钥分发协议
针对现有协议的安全漏洞，发展更安全、更健壮的量子密钥分发 协议是未来的重要研究方向。
实现可扩展的量子纠缠
提高纠缠态的稳定性，实现可扩展的量子纠缠是量子密码学走向实 际应用的关键步骤。
促进社会发展
随着量子密码学的不断发展，有望在保障信息安 全的同时，推动社会的信息化进程，促进社会的 发展。
05
CATALOGUE
总结与展望
总结：量子秘密共享方案的重要性和必要性
01
量子秘密共享方案是量子密码学中的重要应用之一，它能 够实现秘密的分布式存储和分发，保证信息的机密性和完 整性。
02
随着量子计算机和量子通信技术的发展，量子秘密共享方 案在信息安全领域的应用前景越来越广泛，它可以为政府 、企业和个人提供更加安全、可靠的信息保护。
的应用和发展。
在未来，我们需要进一步研究和探索量子密码学的理论和技术，以应对 日益复杂的信息安全威胁和挑战。同时，我们也需要加强国际合作和交 流，共同推动量子密码学的发展和应用。
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量子密码学是利用量子力学原理实现安全通信的技术，它能够防止 窃听和破解经典密码学中的漏洞。
量子密钥分发
量子密钥分发是量子密码学中的一项重要技术，它利用了量子比特 的特殊性质，确保通信双方共同拥有一个随机、安全的密钥。
量子签名
量子签名是利用量子力学原理实现数字签名的技术，它能够确保消息 的完整性和真实性，防止被伪造或篡改。
量子密码学在安全通信领域的应用
量子密钥分发
01
量子密码学可以用于安全地分发密钥，确保通信双方
量子密钥分发的原理与应用
量子密钥分发的原理与应用量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）是一种基于量子力学原理的加密通信技术，它通过利用量子态的特性实现了安全的密钥分发和加密通信。
相比传统的加密算法，量子密钥分发具有更高的安全性和不可破解性，因此在信息安全领域具有广泛的应用前景。
一、量子密钥分发的原理量子密钥分发的原理基于量子力学中的不可克隆性原理和观测破坏原理。
量子力学中的不可克隆性原理指的是，不可能准确地复制一个未知的量子态。
观测破坏原理则指的是，对一个量子态进行测量会改变它的状态。
在量子密钥分发中，发送方Alice和接收方Bob通过量子信道进行通信。
首先，Alice随机产生一组量子比特，并将其用不同的量子态表示，例如，0和1可以用水平和垂直的偏振态表示。
然后，Alice将这些量子比特发送给Bob。
在传输过程中，由于量子态的不可克隆性原理，任何对传输的量子比特进行窃听和复制的尝试都会导致量子态的破坏。
因此，如果有人试图窃听或复制传输的量子比特，Alice和Bob就能够察觉到通信的不安全性。
接下来，Bob接收到Alice发送的量子比特后，他会随机选择一种测量方式进行测量。
由于观测破坏原理，Bob的测量会改变量子比特的状态。
然后，Bob将自己的测量结果发送给Alice。
在最后的步骤中，Alice和Bob通过公开信道交换他们的测量结果，并进行比较。
如果没有被窃听者干扰，他们的测量结果应该是一致的。
根据这些一致的结果，Alice和Bob可以生成一个安全的密钥。
二、量子密钥分发的应用1. 保密通信量子密钥分发可以用于实现保密通信。
由于量子态的不可克隆性和观测破坏原理，量子密钥分发可以提供完全安全的密钥分发过程，从而保证通信的保密性。
在量子密钥分发的基础上，可以进一步实现加密通信，确保通信内容的机密性。
2. 信息安全量子密钥分发在信息安全领域具有重要的应用价值。
传统的加密算法可能会受到计算能力的限制，从而可能被破解。
量子密钥分发通信技术
量子密钥分发通信技术，简称量子密钥分发，是利用量子力学特性实现通信的一种技术。
它的实现原理是利用量子态的不可复制性，将密钥以量子态的方式传输给通信双方，从而达到安全加密的效果。
量子密钥分发的实现需要依赖较为先进的量子通信和量子计算技术，是一项高精度高难度的技术。
1. 量子密钥分发的原理传统加密技术使用的是数学算法，比如RSA算法、DH算法等。
这些加密算法都能被理论上的攻击方法所破解。
例如，RSA算法通过分解大质数来攻击，DH算法则利用离散对数问题。
因此，传统的加密技术不能保障信息的安全。
量子密钥分发的原理在于利用了量子力学特性中的量子态冥等性。
当在发送方和接收方之间传输量子态的时候，由于量子态的不可复制性，任何对量子态的复制都会让量子态发生改变。
因此，任何第三方窃取量子态无法获得明文密钥，同时，由于发送方和接收方已经验证了量子态，在一定范围内，只有他们两个才能知道量子态的值和状态。
这样就达到了传输密钥的目的，在信息传递过程中，利用量子态的特性，保障了信息的安全。
2. 实现方式量子密钥分发的实现方式和传输方式是不同于传统通信方式的，它依赖于先进的量子通信和量子计算技术。
（1）量子密钥分发用到的通信方式：在量子密钥分发中，由于操作量子态是很脆弱和高度技术难度的，所以需要使用高精度频率稳定的通信，目前已经有光子和离子等物体通信。
在光子通信方式中，光量子是硅片通信的关键，需要各种高精度各向异性和相干性技术进行控制。
在离子通信方式中，离子对的量子态受控制强烈且无损失，且容易与现有纤维网络结合。
（2）量子密钥分发用到的量子计算方式：在量子密钥分发中，量子计算是一种非常特殊的计算方式。
量子计算中的量子比特(qubit)具有特殊的态和特殊的量子相互作用，这种特殊性质也被称为“量子纠缠态”。
利用量子计算机优势，可以通过量子密钥的生成，将原本的信息模拟和相应的加密算法更加安全。
3. 应用场景（1）安全通信量子通信已成为保障信息安全的一项重要技术手段，它可以有效地解决传统加密技术在加密过程中泄露信息的问题。
量子密钥分配技术的原理与应用
量子密钥分配技术的原理与应用随着大数据和物联网现代技术的发展，我们正在进入一个数字化时代。
然而，这也带来了数据安全性方面的挑战。
传统的加密技术已经不能满足当今的需要，必须有一种更加安全和可靠的加密技术。
那么，量子密钥分配技术就应运而生了。
一、量子密钥分配技术的原理量子密钥分配技术是利用量子密钥分发协议和经典加密技术相结合的一种安全加密通信方式。
在该技术中，密钥是通过量子比特来传输和存储的，这使得该技术可以更好地保护数据的安全性。
量子密钥分发协议的实现，依赖于量子叠加和量子纠缠，同时也绕过了威胁传输安全的截获、窃听等风险。
1.1 量子叠加量子叠加是指量子态存在一种特殊性质，可同时处于多种状态之中，例如同时“0”和“1”状态。
这使得量子通信能够让数据同时在多处进行储存和传输，使得该技术相对更加安全和更加有效。
1.2 量子纠缠量子纠缠的概念是指两个或者多个量子的状态之间存在着非经典的联系，纠缠状态下一什么量子态发生改变，另一种也会产生联动的效应。
这种关联被认为是量子通信中非常重要的保障之一。
通过测量这种纠缠状态，就可以保证量子通信的安全性。
二、量子密钥分配技术的应用量子密钥分配技术的应用涵盖范围非常广泛，特别是在军事、财政、能源、信息安全等方面。
由于其高度安全的保证，越来越多的公司和政府机构也已经开始使用。
2.1 保密通信量子密钥分配技术可以用来保护两端之间的通信内容不被干扰或窃取。
由于其严格的物理规律，使得信息传输过程中的干预和偷窃极难实现。
2.2 电子支付电子支付安全性得到提高。
由于传统的加密技术可以被攻击和窃取，这就给支付安全带来了风险。
但对于量子密钥分配技术来说，它所运用了纠缠原理和不可复制性原理的性质，使得其保密性得到了良好的保证，大大提高了电子支付的安全性。
2.3 个人隐私量子密钥分配技术可以被运用于隐私保护业务。
例如个人的健康记录和照片可以用量子密钥进行保护，使得个人信息不会因身份识别技术的发展而被窃取或泄漏。
量子密钥分发协议
1.量子密钥分发协议在密钥生成速度上往往低于经典协议。这是因为量子通信需要传输量子比特， 而量子比特的生成和传输速度受到当前技术水平的限制。 2.随着量子技术的发展和优化，预计量子密钥分发的速度将会提升。
与经典密钥对比
传输距离对比
1.量子密钥分发协议受到传输距离的限制，目前的技术水平下 ，量子密钥分发通常只能在较短的距离内进行。 2.经典密钥分发协议在传输距离上具有优势，可以通过光纤或 卫星进行长距离传输。
▪ 量子密钥分发的基本原理
1.量子密钥分发协议基于量子力学中的不确定性原理和不可克 隆定理，保证了信息在传输过程中的安全性。 2.通过传输量子比特，并在传输过程中测量其状态，参与者能 够检测出任何潜在的窃听或干扰行为。 3.量子密钥分发协议通常采用BB84等经典协议作为基础，结合 实际需要进行改进和优化。
1.随着量子技术的不断进步，量子密钥分发协议的商业化和产 业化趋势将愈发明显。 2.未来将有更多的企业和机构投入到量子密钥分发协议的研发 和产业化进程中，推动技术的普及和应用。 3.这需要政府、产业界和学术界共同努力，营造良好的创新环 境和生态系统，促进量子产业的健康发展。
法律法规与监管政策
1.随着量子技术的快速发展，相应的法律法规和监管政策也需 要不断完善和调整。 2.未来，各国政府需要加强对量子密钥分发协议的监管和管理 ，确保技术的合法、合规和安全应用。 3.这需要立法机构和监管部门密切关注量子技术的发展动态， 及时制定相应的法律法规和监管政策，以保障公共利益和国家 安全。
1.量子密钥分发协议的主要步骤包括：量子比特生成、传输和 测量、信息协调和隐私增强。 2.在量子比特生成阶段，通信双方需要生成一组量子比特，并 对其进行编码。 3.在传输和测量阶段，通信双方需要将量子比特传输给对方， 并对接收到的量子比特进行测量。 4.在信息协调和隐私增强阶段，通信双方需要对测量结果进行 比对和纠错，最终生成安全的密钥。
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一种应用于复杂链路的量子密钥分配系统及方法
量子密钥分配（QKD）是一种利用量子物理原理来保证通信安全的加密方式。
在传统的密钥分配中，密钥是在公开信道上传输的，因此容易被黑客攻击。
QKD利用了量子物理原理的不可逆性来保证密钥的安全，即无法复制和窃取密钥。
在复杂链路中应用QKD系统的关键挑战是如何在长距离和多节点的情况下保持量子比特（qubit）的完整性和隐私性。
为了解决这个问题，下面介绍一种适用于复杂链路的QKD系统及方法。
首先，该系统采用了一个分布式的架构，其中包含多个中继节点和一个中心引擎节点。
中心引擎节点负责生成和管理QKD系统中的密钥，而中继节点负责转发和中继密钥信息。
在该系统中，量子比特的传输采用了双向量子通信链路。
每个节点上都有一个量子发送器和一个量子接收器。
量子发送器用于产生和发送量子比特，量子接收器用于接收和测量量子比特。
为了保证量子比特的完整性和隐私性，在每个节点之间使用了量子随机数生成器和量子纠缠源。
量子随机数生成器用于生成随机的比特序列，而量子纠缠源用于产生和分发量子纠缠对。
在密钥分配过程中，中心引擎节点首先向所有中继节点分发量子纠缠对。
然后，中心引擎节点生成一组随机的比特序列，并向所有中继节点发送这些序列。
每个中继节点根据收到的序列和量子接收器测量的结果，计算出自己的部分密钥。
接下来，中心引擎节点收集和整合所有中继节点的部分密钥，并进行
错误校正和随机化处理。
最终，中心引擎节点将生成的整个密钥分发给所
有中继节点，完成密钥分配。
为了增加复杂链路的安全性，该系统还采用了其他一些保护措施。
例如，量子随机数生成器采用了量子非易失性存储器，以避免攻击者对随机
数的窃取。
另外，该系统还使用了量子冗余技术，即通过在不同的传输路
径上复制量子比特来提高传输的可靠性和安全性。
总结来说，一种应用于复杂链路的QKD系统及方法采用了分布式架构、量子纠缠源、量子随机数生成器、量子冗余技术等多种技术手段来保证密
钥的安全性和完整性。
这种系统可以应用于复杂链路中，提供更高级别的
安全保障。