大学课件 量子信息技术-3

——量子密码不能一劳永逸地解决密钥安全问题； ——密码技术的攻防战仍然要继续； ——攻防的战场有所转移
中国科学院量子信息重点实验室
四、量子密码网络
量子网络的寻址问题？ 量子信息的载体是量子态 :
1. 未知量子态不能精确克隆! 2. 测量会导致量子态的塌缩!
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四、量子密码网络
0公里
25公里
50公里
75公里
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三、量子密码原理
中国科学院量子信息重点实验室
三、量子密码原理
中国科学院量子信息重点实验室
三、量子密码原理
中国科学院量子信息重点实验室
三、量子密码原理
中国科学院量子信息重点实验室
三、量子密码原理
中国科学院量子信息重点实验室
三、量子密码原理
三、量子密码原理
信号够不够强？
⑴、途中光损耗！
①大气的散射 ②大气的吸收
基本：N2、O2、CO2、H2O… 人为：灰尘、SO2、NO…
处理办法：
①寻找大气窗口 670nm、772nm…
②远离人为污染 干洁大气透过率~65%
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三、量子密码原理
如何保证望远镜对准？
理想的对准！
例：序列密码；分组密码（DES, AES)；
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—
二、保密通信与密码
经 典 密 码
公 钥 技 术
常用公钥：RSA；ECC 等！
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二、保密通信与密码
公钥的特点
优点： 分配方便；便于更换；无需储存
缺点：安全性未严格证明；计算速度的挑战
量子计算的挑战：
二、保密通信与密码
1、密码原理和技术研究； 2、身份识别与认证； 3、数字签名与防抵赖技术； 4、PKI技术； 5、VPN技术； 6、信息隐藏技术。
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三、量子密码原理
(一).量子密码是什么？
No! 量子密码是一种新的密码体制？
量子密码是“量子”的？
No!
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三、量子密码原理
(1). 量子密码是什么？
量子密码是：
采用量子力学原理，通过公开信道 在异地用户之间实现能严格保证分配 过程安全的密钥分配方法！
量子密码-----量子密钥分配
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三、量子密码原理
量子密钥分配技术
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三、量子密码原理
(2)、光的量子性
发 射 部 分
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三、量子密码原理
接 收 装 置
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三、量子密码原理
空间144公里
R.Ursin, et al., Nature physics vol.3, 481(2007)
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三、量子密码原理
星--地量子 密钥分配
星--空量子 密钥分配
密码学的教训： 1、更换不及时 2、密钥间不应该有关联性
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二、保密通信与密码
私钥！
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二、保密通信与密码
经 私钥的特点 典 密 优点： 码 1.抗计算能力强
缺点： 密钥分配困难
—
私 2.理论上存在绝对
钥
1.难以更换
技 术
安全性(单次、等长) 2.储存降低安全性
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三、量子密码原理
(6)、其他协议
B92协议 六态协议
推广的BB84协议
正交态协议 信道编码协议
尚未实现的协议
EPR协议（纠缠光子对）
连续变量协议 暂时无实用价值的协议
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三、量子密码原理
1、安全性保障：
A. 量子（随机、叠加）性——信息不可分取、不可预测; B. “量子不可克隆定律” ——信息不可拷贝。
*卫星表面反射：按6等星估算
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中低轨卫星的可行性
环境条件
＝100rad
B＝0.2nm
背
t＝3ns
＝100rad
景
B＝0.2nm
t＝1ns
光
＝100rad
子
B＝0.01nm t＝1ns
数
＝10rad B＝0.2nm
/
t＝3ns ＝10rad
门
B＝0.2nm t＝1ns
宽
＝10rad B＝0.01nm
1.3x10-8 ＋1.3x10-10
新月
7.4 x10--6
2.5 x10-6
1.3x10-7 ＋1.3x10-8
7.4x10-8 ＋7.4x10-9
2.5x10-8 ＋2.5x10-9
3.7x10-9 ＋3.7x10-10
1.3x10-9 ＋1.3x10-10
Leabharlann Baidu
星光
7.4x10-7 ＋7.4x10-7
相位编码的量子密钥分配
等臂M-Z方案
Alice安全区
相位调制器 相位调制器
D1
D2
Bob安全区
无法控制绝对相位—导致严重不稳定！
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三、量子密码原理
等臂M-Z方案
Bob
Alice
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三、量子密码原理
不等臂M-Z方案
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三、量子密码原理
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三、量子密码原理
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三、量子密码原理
中国科学院量子信息重点实验室
三、量子密码原理
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三、量子密码原理
北京-天津, 125km, 2004
X.F. Mo, B. Zhu, Z. F. Han, et al Optics Letters, Vol.30(19), 2632(2005)
2.5x10-7 ＋2.5x10-7
1.3x10-8 ＋1.3x10-8
7.4x10-9 ＋7.4x10-9
2.5x10-9 ＋2.5x10-9
3.7x10-10 ＋3.7x10-10
1.3x10-10 ＋1.3x10-10
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同步卫星—地面的量子密钥分配可行性
每天的有效码长 7秒的经典通信量（跟瞄精度0.2rad)
结论：技术上可行！ 与低轨道卫星比，没有明显的优势！
EL Miao, ZF Han, et al, Phys lett. A, vol.361, 29-32(2007)
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三、量子密码原理
光子相位量子态
上 单光子
分束器
下
单光子探测器 D1
1 上＋下 2
D2
单光子干涉
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星--海量子 密钥分配
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三、量子密码原理
实现星—地量子密钥分配困难吗?
易:
只要把两望远镜距离拉开到400公里?
难:
其中一端必须在天上飞!
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三、量子密码原理
难在哪里?
1、400km传输，能接收到足够强的信号吗？
2、必须保证两个望远镜始终对准！
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地面光斑适当放大！
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三、量子密码原理
典型环境下的天空背景亮度：
环境条件
日光 云层
日光 霾雾
日光 大气
满月
新月
星光
辐射亮度 （相对强度）
1.0
10-1
10-2
10-5
10-6
10-7
典型亮度 （w/Srm2m）
150
15
1.5
1.5 x10-
3
1.5 x10-
4
1.5 x10-5
量子信息技术
Ⅲ
韩正甫
中科院量子信息重点实验室
§4-3量子密码
一、信息安全的意义
(一) 、 甲午海战
1894年中日之战，北洋舰队全军覆没！ 价值：割让东三省+彭湖列岛+台湾+白银2亿万两 教训：没有保密国家就没有了一切！
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一、信息安全的意义
(二)、中途岛海战
1941年12月，偷袭珍珠港成功，摧毁了美军的海军主力！ 计划1942年6月，突袭中途岛，全歼美国海军！ 价值：典型的以少胜多，日本海军走向全面失败的开始！
不等臂M-Z方案
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三、量子密码原理
不等臂M-Z方案
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三、量子密码原理
不等臂M-Z方案
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三、量子密码原理
不等臂M-Z方案
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三、量子密码原理
M-Z系统的不稳定性
Optical Power CPS
日光 大气 7.4 x10-2 2.5 x10-2
1.3 x10-3
7.4 x10-4
2.5 x10-4
3.7 x10-5 1.3 x10-5
满月
7.4 x10--5
2.5 x10-5
1.3x10-6 ＋1.3x10-8
7.4x10-7 ＋7.4x10-9
2.5x10-7 ＋2.5x10-9
3.7x10-8 ＋3.7x10-10
三、量子密码原理
多 光 源 偏 振 编 码 方 案
Alice
Bob
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三、量子密码原理
1、美国los Alamos Lab （10公里，2002年初）
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三、量子密码原理
德 国 人 的 机 械 合 束 方 法
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三、量子密码原理
相位调制器
Alice安全区
D1
Bob安全区
光子探测器
偏振分束器
相位调制器 法拉第反射镜
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三、量子密码原理
往返式的付作用
a)背向散射---严重限制密钥分配速率！ b)往返补偿---传输距离越远则抗高频干扰能力越差！ c)监视光强---将“量子安全性”降低为“技术安全
性”！ d)不适合使用单光子源！
偏振分束器
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三、量子密码原理
(4)、偏振态编码
Alice
0 1
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Bob
三、量子密码原理
(4)、偏振编码方案(BB84协议）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
A
B
C
D
E 1 1 00
1
1
=1
=0
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光学开关路由器
偏振分束器
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三、量子密码原理
(3)、光子偏振量子态
偏振分束器
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三、量子密码原理
(3)、光子偏振量子态
偏振分束器
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三、量子密码原理
(3)、光子偏振量子态
偏振分束器
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三、量子密码原理
(3)、光子偏振量子态
RSA (1024 bits)
2000 Qbits量子计算
Bell实验室，Peter Shor, Quant-ph/9508027
ECC（160 bits )
1000Qbits量子计算
加拿大Waterloo大学 John Proos 等, Quant-ph/0301141
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半透半反 镜
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三、量子密码原理
(2)、光的量子性
半透半反 镜
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三、量子密码原理
(2)、光的量子性
半透半反 镜
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三、量子密码原理
(3)、光子偏振量子态
偏振分束器
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三、量子密码原理
(3)、光子偏振量子态
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三、量子密码原理
如何保证飞行目标间的对准？
Acquisition, Tracking, Pointing (ATP system)!
轨迹搜寻， 跟踪， 瞄准 (跟瞄系统)！
问题：什么样的精度才能满足需要？
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三、量子密码原理
跟瞄精度和误差指标
1、卫星对地指向的晃动！ 2、卫星轨道的漂移！ 3、卫星地面的振动！
日本 美国
航母 5（4）
3
战列舰 11 0
巡洋舰 8 8
驱逐舰 49 14
导致日军失败的最高级密码---（紫密JN25b/ JN25c ）
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一、信息安全的意义
(三)、山本五十六之死
1943年4月，美军伏击日本海军大将获得成功，动 摇了日本的军心！
日军始终不知道已经无密可保的密码---紫密(JN25)
——未知量子态不可以被精确克隆 克隆极限——5/6， 安全的量子密钥误码率不大于1/6
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三、量子密码原理
2、攻击方案的出发点
（1）方案设计的不安全性； （2）由于系统光电子器件的非理想而导致的漏洞；
例：探测器的低量子效率、光纤损耗、非单光子源等 （3）编码量子态集中的量子态有限
t＝3ns
＝10rad
B＝0.01nm
t＝1ns
日光 云层
7.4
2.5
1.3 x10-1
7.4 x10-2 2.5 x10-2
3.7 x10-3 1.3 x10-3
日光 霾雾 7.4 x10-1 2.5 x10-1
1.3 x10-2
7.4 x10-3
2.5 x10-3
3.7 x10-4 1.3 x10-4
0.9
0.8
0.7
0.6
0公里
0.5
0.4
0
2
4
6
8
10
Time(hour)
相位漂移
（温度，折射率）
0.5
0公里
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
50
100
150
200
250
300
350
T im e ( m in )
条纹干涉度的涨落
（偏振）
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三、量子密码原理
M-Z系统稳定与距离有关吗？