量子保密通信

第一讲 量子保密通信
根据量子力学测量原理：
1 ( 2 1 ( 2
－ )
单光子的偏振
用基 测量，各有1/2的概率 得到态 或 1 0 • 利用单光子的偏振态作为量子比特编码信息
)
)
)

基
90°
0°
偏振分束器 0° 探测器1 探测器2
90°
1 ( 2 1 ( 2
用基 测量，各有1/2的概率 或 得到态 1 0

基
45°
-45°
第一讲 量子保密通信
第一讲 量子保密通信
量子密码分发全过程
0 发 送 方 1 0 0 1 0 1 1 0
安全性分析
产生密码：0 发送方 经典 方法 窃听者 0 接收方
0
经典方法 量子方法
00:09 8 7 6 5 4 3 2 00:01
1）制备这样一个态

1234
1 (H 1V 2
2
V
1
H 2) ( H
3
V
4
V
3
H 4)
DLCZ 方案 （Duan, Lukin, Cirac, Zoller 2001Nature) 建立在光子通道上的量子通信，由于光子损失和退相
2）在光子2和3上执行一个联合的Bell态测量, 即光子2和3投影到四个Bell态之一
第一讲 量子保密通信
• 在效率上，两种通信基本相同，但是由于量子测量，纠 缠增强的通信和计算使得量子通信可能有更高的码率； • 在复杂性方面，经典光通信的复杂度是合理的，已经应 用在实际中，而量子通信可以使得复杂度保持在一个较 低的水平； • 在技术上，两者在瞄准，收集和跟踪上技术比较成熟， 唯一区别在于量子信息没有光放大器，这是由量子不可 克隆定理决定的。在大气的影响下，它们都是一样的， 衰减依赖于选择的光波长和通信时间。
Y EZ ( X )
经典密码和量子密码的区别
DZ (Y )
解密算法：
X DZ (Y )
明文
密码 经典 载体 量子 载体
0
1
测量装置
例：加密算法： s mk 解密算法： s k m k k m 传输中的位串 本身不携带信息， 保密通信的关键是密码保密。
s
第一讲 量子保密通信
利用量子纠缠现象，可以实现只传送一个量子位，
传输两个bit的经典信息。
第一讲 量子保密通信
第一讲 量子保密通信
Alice
Bob
Alice
Bob
ab
ab
ab
ab
测量仪器
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第一讲 量子保密通信
第一讲 量子保密通信
Alice
X 0 1; X 1 0
Bob
Z 0 0 ; Z 1 1
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第一讲 量子保密通信
第一讲 量子保密通信
• 在速度上，量子通信和经典光通信的速度都不能 超过光速，速度主要由电子元器件决定； • 在信道容量上，由于量子稠密编码，使得量子通 信有比经典光通信更高的信道容量； • 在安全性上，经典光通信通过降低光束的发散角 来使得窃密者更难窃密，而量子保密通信则利用 严格的单光子源来保证无条件的安全性，后者是 建立在物理规律上；
稠密编码可以看作是物理资源的一种相互交换
00 11 2
ab
00 : 应用 I 01 : 应用 Z
10 : 应用X
00 11 2 00 11 2 00 11 2 00 11 2

00 11 2 00 11 2 10 01 2 10 01 2
1 ebit + 1 量子位通信 2 经典位通信
ab
11 : 应用ZX
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第一讲 量子保密通信
Alice希望传送量子态 如果
给Bob.
Alice
Bob
已知，可以传送经典信息；——经典通信；
如果态未知，应如何传送？ 利用量子纠缠现象，可以实现不发送任何量子位，而把 量子位未知态
传送出去。
第一讲 量子保密通信
第一讲 量子保密通信
2
1 01 10 1 01 10 2 2 2 1 00 11 1 00 11 2 2 2 10 2 11 2
1 00 11 2 2 1 01 10 2 2
于1998年入选美国Science”年度国际十大科技进展”， 于1999年入选英国Nature特刊“百年物理学21篇经典论文”。
2004年奥地利Innsbruck大学和美国国家标准技术局 分别对离子阱中的原子实现了完全的量子隐形传态。
第一讲 量子保密通信
第一讲 量子保密通信
Nature2004年429卷的734页和737页上
缺点
易被 截获 无法 监控 重复 利用
载体
A盘 IC卡
特点
实时性 可监控性
经典方法无法保证密码的绝对安全
第一讲 量子保密通信
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第一讲 量子保密通信
一、量子密码分发
1.密码保密通信原理： 密码：一个二进制随机位串
二、量子稠密编码
三、量子隐形传态 四、量子纠缠交换和量子中继器 五、量子通信与经典光通信比较
1 23 (H 2 1 23 (H 2
2
V H
3
V V
2
H 3) V 3)
干，使得通信忠实度随着通信距离指数下降，而建立 在原子系综基础上的量子中继器节点结合了量子存储 技术和纠缠交换思想，可以在有损信道上实现鲁棒的 量子通信。
2
3
2
3）结果为
1 1234 ( 2
Alice
Bob
Alice
Bob
00 11
0 1
2

01 01
1 00 11 00 2 2 1 01 10 01 2 2

00 11 0 1 2 000 011 100 111

ZX
X
0 1


0 1
第一讲 量子保密通信
第一讲 量子保密通信
实验实现
1997年,奥地利Zeilinger小组实现了光子偏振态的隐形传态 。
量子隐形传态实验，于
1997年入选欧洲物理学会“年度国际物理学十大进展”、 美国物理学会“年度国际物理学重大事件”，
D.Bouwmeester， J.W.Pan， et al.Experimental quantum teleportation, Nature 390,575579,1997.
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第一讲 量子保密通信
0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1……
信息的安全取决于密码的安全
发送者
窃听者
接收者
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第一讲 量子保密通信
经典保密通信
• 经典保密通信的两种密码体制 －公钥加密体系 •非对称密钥 • RSA等 •不需要事先共享密钥 －私钥加密体系 •对称密钥 •AES、一次一密等 •需要事先共享密钥
经典加密—公钥加密体系
• 基于数学计算的 复杂度而非物理 的安全性 • 原则上可破译 • 分解速度越来越 快
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第一讲 量子保密通信
经典加密—公钥加密体系
经典加密—私钥加密体系
• 共享相同的密钥 • 唯一无条件安全 的加密方式只有 “一次一密” • Shor算法 • 量子计算机：100亿年=1分钟
复杂度： 量子的不可分割性 量子态不可克隆 量子不确定性原理 一次一密
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第一讲 量子保密通信
量子密码分发的三个关键部分
量子位传输经典信息；
经典通信传送一个经典位，可以、并且只能传送 1 bit 的经典信息。
1 p(0) , 2
p(1)
1 2
1 I log 2 ( ) 1(bit ) 2
1 ebit + 1 量子位通信 2 经典位通信


1 量子位通信 = 2 经典位 (Mod 1 ebit)
隐形传态的另一个最显著的特征是:仅仅两个经典 位可以传送未知态，也就是说两个经典位可以传 送无穷多信息。
01
1 01 10 1 0 2 2 1 01 10 1 0 2 2
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第一讲 量子保密通信
第一讲 量子保密通信
为了使纠缠在远距离分布，需要有量子中继器 （quantum repeater）来执行纠缠纯化和纠缠交换。纠缠 纯化就是把由于环境影响造成的纠缠损失给复原出来，而 纠缠交换就是力图建立远距离的纠缠。
纠缠交换的原理图
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Vernam密码体制
保密通信
如何在通信双方产生绝对安全的密码？
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经典密码
量子密码
目的
内容 0 1 0 1 1 0 0 0 …… 密码本 U盘
产生绝对安全的密码 绝对安全
可以抵抗物理上 所允许的任何攻 击行为 密码是在通信过 程中产生的 可以监控任何窃 听行为
14

23

14

23

14

23

14

23
)
第一讲 量子保密通信
第一讲 量子保密通信
建立在双光子干涉和原子系综上的量子中继器节点
DLCZ方案的缺陷在于纠缠的产生是建立在单光子干 涉的基础上，潘等人利用双光子干涉巧妙地克服了 对信道长度抖动，即相位不敏感，从而提高了传输 距离。实验中建立了300米的量子通信通道。
0 接 收 方
1
1
0
量子密码是绝对安全的
0
1
产生密码：0110
量子 方法
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第一讲 量子保密通信
BB84协议
量子保密通信的安全性基于量子力学原理而非计算
通信双方 那N个比 特来比较， 窃听者不 被发现几 率为 （0.75) 的N次方， 若N=100, 几率为 3.2的负 31次方。
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第一讲 量子保密通信
Alice
Bob
量子隐形传态可以看成是物理资源的一种相互交换.
1 ebit + 2 经典位通信 1 量子位通信
与稠密编码比较:

I 1 00 11 0 1 0 1 2 2 1 00 11 Z 0 1 0 1 2 2
k : 0101001110100001101111010
明 文 密文
加密
消 息
编码 发送
密码源
解密
接收 消息 密文 明文 解码 量子密码不可破译＋一次一密编码＝绝对安全量子保密
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第一讲 量子保密通信
明文：
X Z
加密算法：
密文：
EZ ( X )
密码