胡伟 2008 (基于EPR纠缠对的量子保密通信技术探讨)

（６）采用数据协商方式对原密钥进行纠错处 理。
（７）采用保密加强技术对经过协商处理后的密 钥作进一步处理，提高密钥的保密性，并最终获得 安全密钥。
实验验证 英国电信首先采用双光子纠缠态实验验证了 日）Ｒ协议。根据有关的报道，最新的研究成果是 ２００５年中国科技大学利用制备的纠缠态光子对在自 由空间实现了超过１３ ｌ叽的量子密钥分发实验［９］。 实验方框图以及接受端光学示意图如图１所示。
式中：『ｏｎ’＞与ｌ １“’＞分别表示第ｉ个电子的自旋 向上和向下的状态，Ｉ ９）就是两个电子的自旋最大 纠缠态。在上述状态上，测量电子１的自旋，得到 自旋向上和向下的概率都是１／２。如果测得电子１ 的自旋向上，则纯态ｌ ９）坍缩为Ｉ∥）＝Ｉ ｏｎ’）
１‘２’＞，于是，电子２的自旋必然处于自旋向下的 状态。上述结果表明，在复合体系的一个纯态上，
ｃ舢ｕｎｉｃａｔｉ伽ｂａｓｅｄ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｅｃｕｒｅ
ｏｎ ＥＰＲ ｐａｉｒｓ
Ｈｕ Ｗｅｉｌ，Ｗａｎｇ Ｌｉ２，Ｌｉｕ Ｂｉｃｈｅｎ３
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１ ＥＰＲ协议分析
量子密码的思想首先是１９６９年由Ｗｉｅｓｎｅｒ提 出的口］，他提出利用量子物理理论对信息进行保密 处理的设想。３个基本量子密钥分发协议的基本 内容如表１所示。
ＥＰＲ纠缠态 设有２个电子构成的体系，总自旋为零的纯态 为：
１
ｊ妙一去［Ｉ ｏ（１）＞ｌ １心’＞＋ｌ １ｎ’＞ｌ ｏ＜２’＞］ √Ｚ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ； ｑｕａｎｔｕｍ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ；
ｑｕａｎｔｕｍ ｓｅｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
０引 言 目前广泛应用的计算机密码系统，如ＤＥＳ、
ＡＥＳ、ＲＳＡ等都是基于数学形式的密码系统，已经 被证明不是无条件安全密码系统。虽然经典密码 系统中Ｖｅｒｍｍ算法（ｏｎｅ－ｔｉｍｅ ｐａｄ）被Ｓｈａｎｎｏｎ证 明具备无条件安全性，但是由于在证明过程中假设 存在一个安全信道，使得Ｖｅｍａｍ算法存在
可以检测攻击者是否存在。利用这个性质，八Ｅｋ— ｅｒｔ设计了下面的量子密钥分发协议。
（１）Ａｌｉｃｅ将每一个ＥＰＲ纠缠对中的２个粒子 分别发到Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ，使Ａ１ｉｃｅ和Ｂｏｂ分别收到 其中的一个粒子。
（２）Ａ１ｉｃｅ随机地测量她的粒子串，并记录结
果。Ａ１ｉｃｅ随机选择她的干涉仪的相位为。或芸
安全性分析 ＥＰＲ协议具有极好的安全性，因为量子比特在 传输的过程中状态不确定，只有合法通信者对纠缠 态中的粒子测量后粒子的状态才确定。这个性质 表明即使窃听者获得了Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ之间传输的 纠缠态，也不能得到信息。研究表明，ＥＰＲ协议的 安全系数是３个基本量子密钥分发协议中最高的。
２量子身份认证
Ａ１ｉｃｅ．地点Ａ 自由空闻通道
广ｉ五Ｆ五ｉ三］。
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ｌ●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－＿＿＿一
发送方
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自由空闻通道厂磊了Ｆ翮
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‘圆 巴产一 同步激光脉冲ｌ 经典通道
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ＥＬＥＣＴ只ＯＮＩＣ ＴＥＳＴ
图１实验方框图以及接受端光学示意图‘９］
３量子保密通信研究现状与发展
量子保密通信是由量子密钥分发开始发展起 来的，两者不能等同。量子密钥分发实质上通过数
据筛选，密钥协商，保密加强等技术，从随机产生的 量子比特序列中获得安全密钥，然后发送给通信双 方。显然这种技术不能用于数据传输。
目前，量子保密通信系统一般都是利用量子密 钥分发技术产生和分发量子密钥，然后用量子密钥 对信息进行加密，并通过经典信道进行传输，最后 利用量子密钥解密和确认信息完整性等技术实现 保密通信；因此只是对经典保密通信系统某种程度 上的改进，并不是真正意义上的量子保密通信［１１｜。
量子身份认证的实验方案基本可分为２个步 骤：首先Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ共享一个认证密钥或通过一 个可信任的第三方ＣＡ获取认证密钥，然后利用 ＥＰＲ纠缠对的物理性质进行量子身份认证；认证密 钥可以是经典比特信息，也可以是ＥＰＲ纠缠态信 息。
目前，研究人员已经提出了一些量子身份认证 方案，如Ｄｕｓｅｋ提出的量子身份认证系统［１ ０｜。实 际上，量子密钥分发和量子身份识别的安全性都是 通过检测窃听者的有效性来实现。
近期的研究进展如下：２００２年，Ｃ．Ｋｕｅｒｔｓｉｅｆｅｒ 等人在自由空间实现了２３．４ ｋｍ的量子密钥分发 实验嘲；２００３年，Ｈ．Ｋｏｓａｋａ等人在光纤中实现了 超过１００ ｋｍ的量子密钥分发实验［”１；２００１年，中
科院物理所在８５０咖光纤中实现了１．１ ｋｍ的量
子密钥分发实验［１４３；２００３年，中国科技大学在光纤 中实现了５０ ｋｍ的量子密钥分发实验［１５３；２００３年， 华东师范大学利用Ｂ９２协议，在光纤中实现了５０ ｋｍ的量子密钥分发实验［１６３；２００５年，中国科技大 学利用制备的纠缠态光子对在自由空间实现了超 过１３ ｋｍ的量子密钥分发实验［９］。在此领域中，如 著名的ＭａｇｉＱ公司，Ｉｄ Ｑｕａｎｔｉｑｕｅ公司和ＢＮＮ公 司相继推出各自的原型机和产品。
屯蚤型ｉ基
ＥＬ．ＥＣＴＲＯＮＩＣ ＴＥＳ丁
型
Ｃａｔｃｈ２２问题。 经典密码系统如上述的ＲＳＡ等密码系统，其
安全性是由计算复杂性保证的，随着计算机计算能 力的不断提升以及研制中的量子计算机的强大并 行计算能力，现用的密码系统安全系数将迅速降 低。根据Ｍｏｒｅ定律，到２０１２年将可实现对单个原 子的编码，量子计算机的实现将成为现实，当量子 计算机研制成功，利用其强大的并行计算的能力， 将会轻易的攻破现行的密码系统。因此，由量子力 学与密码学结合的量子密码学在近３０年受到极大 的关注，在理论和实验上都取得了飞快发展。
目前，量子保密通信系统的研究方向有以下几 个方面：（１）量子密钥分发；（２）量子身份认证；（３）量 子秘密共享；（４）量子签名；（５）量子加密算法；（６）量 子安全直接通信；（７）量子保密通信网络；（８）量子保 密通信系统的工程实现技术等。
量子密码系统与经典密码系统是建立在不同 的理论基础之上。经典密码系统多以数学理论为 基础，依据一个或多个数学问题设计而成，其安全 性由求解数学问题的复杂性和困难性保证。量子 密码系统以量子物理为基础，依据一个或多个量子 物理规律设计而成，其无条件安全性由海森堡 （Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ）测不准原理及其推论量子不可克隆 原理保证［１１；量子密码系统另一优势是能够在通信 过程中在线地检测出攻击者Ｅｖｅ的存在。
对一个子系进行测量将影响另一个子系所处的状 态，这个体系就是ＥＰＲ纠缠态‘引。
表ｌ基本量子密钥分发协议
协议描述‘５－７］ 假设信道中传送的粒子是自旋为１／２的粒子， 需测量的物理量为Ａ和Ｂ，相应的值为ａｉ和岛，对 应的单位矢量是口ｉ和６ｊ。如果信道中没有噪声或 Ｅｖｅ存在时，ＥＰＲ纠缠比特存在如下关系：
ｔａｉｌｓ． Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｅ—
ｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｆｏｒ
如果存在扰动时：
ｓ＝Ｉ户广（‰，嘞）ｄ瑰ｄｍ［届。，ｚ６］一
式中：％和墙是２个单位矢量（分别对应粒子口和６）； ｐ（吃，％）表示沿一个给定的特殊方向测量时截获一 个自旋分量的概率。可以证明，存在扰动时，Ｓ满足一
拒≤Ｓ≤压。
因此根据ＥＰＲ粒子对的相干系数，合法用户
屯蚤墅ｇｉ基
ＥＬＥＣ丁．ＲＣ以Ｃ循ｇ；１１
上述的３个量子密钥分发协议都具备可证明 的无条件安全性，但是它们都存在一个安全假设： 通信双方Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ的身份都是合法的；即Ａｌｉｃｅ 和Ｂｏｂ在进行保密通信之前就已经确认了对方的 合法身份，Ｅｖｅ不能在Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ无察觉的情况 下完成假冒攻击。如果在Ｅｖｅ假冒Ａ１ｉｃｅ或Ｂｏｂ 的身份进行保密通信，或者Ａｌｉｃｅ发送给Ｂｏｂ的量 子比特全部被Ｅｖｅ截获等情况下，安全性是不能保 证的。量子密钥分发协议的无条件安全性实质上 是基于对干扰的可检测性，只是不同的协议检测的 方式不同。但是，这种特性不能检测出通信双方的 假冒行为；而在实际通信中，假冒行为是真实存在 的，因此在进行量子密钥分发之前必须对通信双方 的身份进行认证。
厶
测量收到的粒子（可通过移相器实现），根据ＥＰＲ 纠缠态的性质，Ａ１ｉｃｅ测量她的粒子后，同时确定了 Ｂｏｂ粒子的量子态。
（３）Ｂｏｂ测量收到的量子比特串。Ｂｏｂ随机地
选取相位。或寻测量他收到的粒子。 厶 （４）检测窃听者Ｅｖｅ。Ｂ０ｂ随机地从所测结果中
选取部分结果，将这些结果告诉舢ｉｃｅ，根据Ｂｅｌｌ理论
检测Ｅｖｅ是否存在。当两个相位之和为。或鲁的整
数倍时，～ｉｃｅ和Ｂ０ｂ的光子相关联，否则为无效量 子比特。根据所选用的测量基序列的出错率判定是
否有攻击存在。记￡为错误率阈值，若出错率≤
岛，继续执行下面的步骤，否则终止协议。 （５）ＡＩｉｃｅ和Ｂｏｂ按照下面的方式将量子态编
码成二进制比特：Ｉ一＞一ｏ，Ｉ＼＞一ｏ，Ｉ ６＞一１， Ｉ一＞一１，由此获得原密钥。
黼 ２００８年７月
电子测试
ＥＬＥｃＴＲｏＮＩｃ ＴＥｓＴ
Ｊｕｔ２００８ ＾『ｏ．７
基于ＥＰＲ纠缠对的量子保密通信技术探讨
胡伟１，王莉２，刘必晨３ （１重庆邮电大学光电工程学院重庆４０００６５；２重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆４０００６５；
３中国电子科技集团第４４研究所重庆４０００６０）