（通信与信息系统专业论文）一种量子保密通信系统关键技术的研究与实现.pdf

摘要 摘要 量子密钥分发由于其理论上的不可破译性，已经成为当今通信领域研究的一 个热点。本文的目标是建立一个量子密钥分发实验系统。 首先，在研究b b 8 4 协议各种具体实现方法的基础上，提出了一种基于偏振编 码的量子密钥分发方案，该方案仅使用一台单光子探测器。其次，设计并实现了 该量子保密通信系统的发送端。发送端采用延时芯片、高速逻辑芯片和放大电路 制备了有效宽度约7 0 0 p s 的电窄脉冲，用其驱动激光二极管，经衰减后产生近似 单光子脉冲。随后通过偏振控制器制备了o o ，9 0 0 ，4 5 0 和一4 5 0 四种偏振态，随机 选择其输出，同时采用另外的波长传输同步信号。再次，设计并实现了该量子保 密通信系统的接收端。接收端实现同步，产生单光子探测器的触发脉冲信号，同 时将光脉冲进行分路延时传输。根据b b 8 4 协议，收端计算机通过经典信道与发送 端进行基对比和误码检验，经过纠错和密性放大后产生最终的密钥。此外，接收 端还完成了光子在传输过程中的偏振反馈控制。最后，对系统进行了实验，结果 表明发送端和接收端实现了设计目标，工作稳定可靠。 关键词：量子通信b b 8 4 协议时分复用单光子探测器偏振反馈控制 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o nh a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o ni nt h ef i e l do f c o m m u n i c a t i o n sd u et oi t sa b s o l u t es e c u r i t yi nt h e o r y i nt h i st h e s i s ，w ew o r kt o w a r dt o b u i l dae x p e r i m e n t a lq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o ns y s t e m f i r s t l y , b a s e d0 1 1t h ea n a l y s i so fs o m ei m p l e m e n t a t i o n so fb b 8 4p r o t o c o l ，w e d e v e l o p e das c h e m eo fq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o nb yu s i n gp o l a r i z a t i o ne n c o d i n ga n d o n l yo n es i n g l ep h o t o nd e t e c t o r s e c o n d l y t h es e n d e ri sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a n a r r o we l e c t r i cp u l s ew h o s ee f f e c t i v ew i d t hi s a p p r o x i m a t e7 0 0 p si sp r o d u c e db y t i m e - d e l a yc h i p ，h i 班一s p e e dl o g i cc h i pa n db r o a d b a n da m p l i f i e r al a s e r - d i o d ei sd r i v e n b yt h i sn a r r o wp u l s ea n di sa t t e n u a t e dt os i m u l a t es i n g l e p h o t o ns o u r c e t h e nt h e p o l a r i z a t i o ns t a t eo fap h o t o nt o0 0 ，9 0 0 ，4 5 0 ，a n d 一4 5 0i sa d j u s t e db yp o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r i na d d i t i o n , ac l o c ks i g n a li s p r o p a g a t e di nt h es a m el o n gf i b e rb u ti n d i f f e r e n tw a v e l e n g t h t h i r d l y , t h er e c e i v e ri sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d i nt h er e c e i v e r , t h et r i g g e rs i g n a lf o rs i n g l ep h o t o nd e t e c t o ri sp r o d u c e db a s e do ns y n c h r o n i z a t i o n , a n d t h et r a n s m i s s i o nc h a n n e lo fl i g h ts i g n a li sd i v i d e di n t of o u ro n e sw i t hd i f f e r e n td e l a y a c c o r d i n gt ob b 8 4p r o t o c o l ，t h eb a s i sc h o i c e ，b i te r r o rr a t ec h e c k i n g ，d a t ac o r r e c t i o n a n dp r i v a c ya m p l i f i c a t i o ni si m p l e m e n t e db yap c s ot h ef i n a lk e yi sp r o d u c e d i n a d d i t i o n , w ea c h i e v e dt h ep o l a r i z a t i o nf e e d b a c kc o n t r o la tr e c e i v i n ge n df o rt h es t a b l e t r a n s m i s s i o no fp h o t o np u l s e f i n a l l y , t h et e s tr e s u l to ft h i se x p e r i m e n t a ls y s t e ms h o w s t h a tt h es e n d e ra n dt h er e c e i v e ra t t a i no u rd e s i g no b j e c ta n dw o r kw e l l k e y w o r d ：q u a n t u mc o m m u n i c a t i o n b b 8 4t d ms p d p o l a r i z a t i o nf e e d b a c kc o n t r o l 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：盔趣 导师签名：日期丝丝：! ：竺 第一章绪论 第一章绪论 随着科学的发展和微电子器件技术的进步，我们跨越了经典信息论和计算理 论科学家们的年代。随着量子物理实验成果不断涌现，我们对信息及其表示与处 理的认识有了质的变化，到今天事实告诉我们：信息的处理能够以微观过程实现。 相对于传统的信息传输，事实证明，量子特性在提高运算速度、确保信息安全、 增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限【l 】。因此， 量子通信在全世界受到广泛的关注和研究。 1 1 量子通信概述 量子通信是指信息编码、信号处理和信息传输都基于量子态的通信。用量子 态来表示信息是量子信息的出发点，有关信息的所有问题都必须采用量子力学理 论来处理。量子信息的单元称为量子比特，它是两个逻辑态的叠加态。 量子通信研究的主要内容有：量子隐形传态与量子纠缠的应用；量子通信信 号的传输、接收与检测；量子通信信道的物理特性与信道模型；量子通信协议： 量子通信的物理实现等。由于安全性是量子通信目前最广泛关注的方面，故量子 通信主要是指具有量子特性的量子保密通信。本文的主要内容也是关于此方面的 一种通信系统的设计。 经典保密通信与量子保密通信最大的区别就是前者被破译后不易察觉。在这 里先对两种保密通信方式做简要介绍。经典密码通信可分为两大类：对称密码系 统和非对称密码系统。对称密码系统又称专用密钥系统，工作过程是发送方与接 收方拥有相同的密钥，发送方用该密钥编码，接收方用该密钥解码。经证明，只 有“一次性密码 才能提供完全的安全性。其中，“一次性密码的含义是，密码 只用一次，且消息长度不大于密码长度。由于“一次性密码 效率很低，为了提 高密码的利用率，发展了d e s ，a e s 等对称密码系统。非对称密码系统也称公开 密钥系统，工作过程是接收方先选择一组只有他自己知道的专用密钥，根据此密 钥计算出相应的公开密钥，并将它公开给准备向他传送信息的所有对象。发送方 使用公开密钥将信息加密后传给接收方，接收方同时具有公开密钥和专用密钥， 可以将密文还原成原文，故窃听者只拥有公开密钥无法将消息还原。这种密码系 统的安全性依赖于计算的复杂性。 与经典密码通信不同，量子密码通信的安全性不是基于计算的复杂性，而是 基于量子物理的基本特性。例如，发送方a 向接收方b 随机发送两种互不正交的 量子状态，即水平偏振的单光子及4 5 度的单光子。窃听者c 若想获取信息，有0 5 概率猜中发射哪种偏振的单光子，有o 5 概率猜错，而在猜错的部分仍有o 5 概率 2 一种量子保密通信系统关键技术的研究与实现 得到正确码值。故c 窃听到正确码值的概率为o 7 5 ，这样c 在向b 发送的码值会 有很高的误码率，接收方b 由此可以觉察到窃听者从而放弃通信。并且，由“海 森堡不确定性原理 及量子力学的基本原理告诉我们，对量子态的测量会干扰量 子态本身，因此，这种窃听方式必然会留下痕迹而被合法用户所发现。当然，如 果避开直接量子测量而采量子复制机来复制传送信息的量子态，窃听者将原量子 态传送给乙，而留下复制的量子态进行测量以窃取信息，这样就不会留下任何会 被发现的痕迹。但是量子不可克隆定理确保窃听者不会成功，任何物理上可行的 量子复制机都不可能克隆出与输入量子态完全一样的量子态来i l j 。 1 2 量子通信的现状及发展前景 1 9 9 3 年，c h b e n n e t t 提出了量子通信的概念。同年，6 位来自不同国家的科 学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个粒 子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的 粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分， 它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行 某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获 得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅 是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而 接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。 在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子力学是非定域 的理论，这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出 许多反直观的效应。在量子力学中能够以这样的方式制备两个粒子态，在它们之 间的关联不能被经典地解释，这样的态称为纠缠态，量子纠缠指的是两个或多个 量子系统之间的非定域非经典的关联。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认 识自然界的规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的 传送完成大容量信息的传输，实现理论上不可破译的量子保密通信。目前美、英、 瑞士等国正致力于这方面的研究并在实验上取得重要进展，已经在光纤上实现1 5 0 公里的密钥传送，在自由空间中实现1 4 0 公里的密钥传送【3 5 1 。西方国家的目标是 在近5 年之内实现量子密码实用化。目前在技术上遇到的主要困难是：如何增加 量子密钥传输距离。有待突破的重要关键技术主要有两个： 一是红外( 1 3 微米、1 5 微米) 单光子探测器。这是因为光纤量子密钥传输 是采用单个光子来实现的，光纤损耗限制着传输距离的增加，1 3 微米和1 5 微米 是现在所使用的光纤损耗最小的波长，现有成熟的单光子探测器工作波长在可见 光范围，理论上光子在光纤中传输的极限距离约为2 0 公里。因此实用的红外单光 第一章绪论 子计数器成为关键性问题。 二是单光子光源，现在量子密码研究中所使用的单光子光源是将相干光脉冲 衰减到平均每个脉冲只有o 1 0 2 个光子，这是一种近似的单光子源，效率低，既 影响量子密钥的传输距离，又影响其安全性，因为这种光源有可能在一个脉冲中 同时出现两个光子。因此研制真实的单光子源成为量子密码研究的另一个关键性 问题。美国、日本、西欧正在大力开展这些关键技术的研究，最近在自然、科 学上也报导了一些重要进展，但仍未获得根本上的突破。 1 9 9 7 年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作， 首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子 态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态 ， 作为信息载体的光子本身并不被传输。 为了进行远距离的量子态隐形传输，往往需要事先让相距较远的两地共同拥 有最大量子纠缠态。但是，由于存在各种不可避免的环境噪声，量子纠缠态的品 质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态 是目前量子通信研究中的重要课题。国际上许多研究小组都在对这一课题进行研 究，并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案，但是没有一个是能用现有技术 实现的。最近潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化 的理论方案，原则上解决了目前在远距离量子通信中的根本问题。这项研究成果 受到国际科学界的高度评价，被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃 。 量子通信是经典信息论和量子力学相结合的- - 1 7 新兴交叉学科，与目前成熟 的通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离 传输等特点。量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地 促进国民经济的发展。自1 9 9 3 年美国i b m 的研究人员提出量子通信理论以来，美 国国家科学基金会、国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在 1 9 9 9 年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达1 2 个。日本邮政省把 量子通信作为2 1 世纪的战略项目。 2 0 0 9 年5 月1 8 日，在安徽芜湖市电信大楼的机房里，中国科学院院士郭光灿 下达了发送指令，一份经过量子加密的政府机要文件准确传递到了招商局，经贸 委，总工会等市级机关，这些部门的用户使用接收到的量子密码对文件完成解密， 成功获取了准确内容。当外来黑客进行攻击时，监测装置立即发出警报，量子密 码传输随即停止。世界上第一个“量子政务网 运行成功。这标志着量子保密通 信将进入实用化时代。 4 一种量子保密通信系统关键技术的研究与实现 1 3 论文主要内容和结构 论文在学习了量子通信相关理论( 包括量子力学、经典密码学、光通信的相 关知识) 的基础上，分析了b b 8 4 协议，理解其密钥分发过程，设计了整个系统的 实验平台。论文设计并实现了发送端和接收端的电路和光路，编写并口发送数据 和接收端数据采集的程序，设计和实现了基于单片机的偏振控制电路，并进行实 际测试。 本文共分为五章，各章的内容安排如下： 第一章简要介绍量子通信的基本概念、发展现状；对量子通信的研究重点 及未来发展方向做简要论述。 第二章详细介绍量子保密通信的相关理论，包括系统构成，b b 8 4 协议，以 及所用到的关键技术，对本实验工作流程做简要介绍。 第三章给出了实验平台发送端的设计思路，包括所用器件和实现方法。 第四章给出了实验平台接收端的设计方案，包括所用器件及连接，对偏振 控制的原理及实现做简要介绍。 第五章全文总结和对今后工作的建议。 第二章量子保密通信系统 第二章量子保密通信系统 量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。在 系统中传输的信息可以分为两类：经典信息和量子信息。前者主要用于量子密钥 的传输，后者则可用于量子隐形传送和量子纠缠的分发【1 1 。本实验系统的主要功能 是设计一种基于b b 8 4 协议的密钥分发过程。 2 1 量子保密基础 量子保密通信的基础是量子力学，其中最重要的两个原理就是海森堡不确定 性原理和量子不可克隆原理。现阶段主要使用单光子来模拟量子特性进行通信， 在垂直及水平两个方向偏振的单光子可以看作是一个量子位。 2 1 1 海森堡不确定性原理 海森堡不确定性原理就是指：在一个量子系统中，一个粒子的位置和它的动 量不可被同时确定【4 1 。 19 2 5 年6 月，维尔纳悔森堡发表了论文( ( q u a n t u m - t h e o r e t i c a lr e i n t e r p r e t a t i o n o f k i n e m a t i ca n dm e c h a n i c a lr e l a t i o n s ) ) ，从而创立了矩阵力学，标志着现代量子力 学正式开启。矩阵力学大胆地假设，粒子的量子运动不能够被确定。在原子里的 电子运行的轨道并不明确，无法直接观察其轨迹。故其对于时间的傅里叶变换只 涉及离散的频率。 位置的不确定性缸和动量的不确定性p 是不可避免的，存在如下关系： 蚴尝( 2 - 1 ) 其中，h 是约化普朗克常数，h - - - 1 0 5 4 5 7 1 5 9 7 1 0 3 4 j s o 类似的不确定性也存在于能量与时间，角动量和角度等许多物理量之间： 鲋a b ( 2 - 2 ) 式( 2 - 2 ) 的含义是a 的不确定性与b 的不确定性的乘积至少是a 与b 的对易的 平均值除以2 i 。a 和b 的对易式定义为： 阻，b 】- a b b a ( 2 3 ) 由此，如果窃听者期望获取正确的信息，就必须进行量子态的测量。而 量子态的测量在本质上会改变量子态的性质，发送方和接收方通过信息校验 就会发现他们的通信被窃听，因为通信双方被窃听后必然会留下明显的量子 6 一种量子保密通信系统关键技术的研究与实现 态被测量的痕迹，发送方和接收方可因此终止正在进行的通信。 2 1 2 量子不可克隆原理 不可克隆原理，也称作不可复制原理，主要内容为：一个未知的量子态不能 被复制并且不改变原来的状态。首先通过单次测量无法获知量子系统的确切特性， 因为一旦进行测量，原来的量子态就改变了。而不测量量子态，直接复制系统也 是做不到的【3 1 。下面做简要分析： 首先简要介绍一下幺正变换的概念。量子通信中信息的处理就是量子态的幺 正变换，幺正变换的定义如下：设有算符u ，设u 的共轭转置是u + ，u - 1 是u 的 逆，若满足 u + = u 一1 则称u 为幺正算符。幺正变换的一个重要性质是：空间中任意两个矢量经幺正变 换后其内积保持不变，证明如下： 设l s ) 和i ，) 是空间中任意两个矢量，其内积定义为( s i t ) ，l j ) 和l f ) 经过幺正变 换u 作用后得到矢量u i s ) 和l u t ) ，其内积定义为妙l s ) ，u l f ) ) ，由 m s ) ) + = ( s i u + ， 可得 ( v l s ) ，u i f ) ) = ( s i u + u i f ) = ( s i f ) ( 2 4 ) 下面对不测量无法复制系统量子态这一理论做简单证明【3 】： 设存在复制机，输入为量子态i9 i ) ，初始状态为。复制机的输出由两部分构 成，一部分是原来的量子态) ，另一部分是由起始状态i j ) 复制而成的l ) 。复制 机输入的量子态可以表示为j ) oj p ，输出的量子态则为j 妒) oj 驴) 。因孤立量子系 统的演变服从幺正变换，故有 u 0 妒) o l s ) ) = l 妒) o i 咖) 兰i 驴，咖) ( 2 - 5 ) 同样，当输入另一量子态i 妒) l 妒) 时，也有 【，0 9 ) 9 l s ) ) = 1 9 ) o i 缈) 三l 妒，妒) ( 2 6 ) 取l 驴，妒) 与1 9 ，妒) 的内积，因为张量空间的内积是对应子空间的内积相乘，幺正 变换的内积不变，故可得 ( 咖l9 ) ( sis ) = 静i 妒) iq , ) ( 驴i9 ) = ( ( i9 ) 尸 ( 2 7 ) iq , ) 是一个数，所以i9 ) - 0 或i 妒) = 1 ，这就是说复制基不能复制彼此不正 交的两种状态。以一个量子位为例，即使复制基可以复制i o ) 和1 1 ) 这两个相互正交 的基矢，也不可能复制一般的量子态) = a0 ) + 1 1 ) ( 如b 0 ) 。 第二章量子保密通信系统 以上的结论同时也证明：量子密码通信必须随机的使用彼此不正交的量子态， 否则将会有可能被窃听者复制。 综上所述，窃听者既不能够通过测量量子态得到信息而不被通信双方发现， 也不能够不测量而直接复制信息，量子通信在目前的科学界看来是绝对保密的。 2 2 量子保密通信系统结构 2 2 1 量子通信模型 如图2 1 所示，量子通信系统模型包括量子信源，量子信道和量子信宿三个主 要部分。量子信源产生消息并发送出去；量子调制将原始消息转换成量子态形式， 产生量子信号；量子信宿是消息的接收者，量子解调将量子态的消息恢复成原始 消息；其余都属于量子信道范畴。另外通常还有辅助信道，是指除了传输信道以 外的附加信道，如经典信道，主要用于密钥协商等【2 1 。下面对这三个部分做介绍。 2 2 2 量子信源 图2 1 量子保密通信系统模型 信源就是信息的来源，不同的信源发出的消息不同。如果信源发送的是量子 信号，则该信源称为量子信源。参照经典信息理论，量子信源可定义为输出特定 量子消息集的量子系综。与经典信源一样，量子信源可分为离散量子信源和连续 量子信源。离散量子信源可用符号0 妒) 】统一表示如下： 陆p lp 2 趔 i 咖) 表示量子信源中可能的量子符号，办为符号l 谚) 在信源中出现的概率。 连续量子信源可表示为： 8 一种量子保密通信系统关键技术的研究与实现 腓龆 l z ) 为z 表象中连续量子比特，p q ) 为其对应的概率密度。 2 2 3 量子信道 量子信道是量子密钥分配协议的重要组成部分，主要包括量子传输信道和辅 助信道。 一量子传输信道 量子传输信道是量子信号的实际传输路线。量子传输信道与经典信道类似， 信道属性依赖于信道的输入和输出，还有描述它们之间关系的条件概率。量子传 输信道与经典传输信道一样可以用数学形式来描述。但是，量子传输信道的特性 还受到量子物理学的约束。即使是完全相同的信道，如果输入的量子比特不同， 实际无噪声的信道模型都有可能被认为是有噪声的。 在量子密钥分发方案的设计中，为了保证系统的安全性和效率，应该先对量 子信道的特性有充分的了解。量子传输信道是不安全信道，允许任何窃听者对量 子信道窃听，但不允许其改变量子信道。 二辅助信道 对于事先没有共享信息的通信双方，若想获取一个共享密钥需要借助辅助信 道来实现。 在量子密钥产生和分发系统中，通信双方获取的秘密信息都是盲信息，所以 要获得共同密钥还需要借助于辅助信道来实现。辅助信道是公开信道，具体形式 既可以是无线通信信道这样的经典信道，也可以是量子信道。其中传输的数据可 以被任何人知道，但是不允许任何形式的改动，也不允许主动攻击。可以认为， 量子密钥分配中辅助信道的作用是帮助通信双方从已得到的量子信息中获取可访 问的信息。 2 2 4 传输介质 量子位是量子信息的最小单元，用不同的量子态编了码的单光子可看作量子 位。光子是电磁波，它的传播遵循光传播规律，理论上，各种光传播所借助的介 质也能传播携带量子信息的单光子。 光传输中最为常见的介质就是光纤，现代通信很多都通过光纤网络进行，量 子通信的主要介质也是光纤。光纤主要分为多模光纤和单模光纤。多模光纤芯径 较大，可供多种模式的激光在其中传播，各种模式之间会互相耦合发生能量转换， 具有特定量子态的光子在这种环境中传播是不合适的。单模光纤芯径小，只能允 第二章量子保密通信系统 9 许光以一种空间模式传播，光子从输入端到输出端的相位变化是相对稳定的，这 很适合用不同相位的单色偏振光代表的量子态的传输。本实验方案中的传输介质 也主要采用单模光纤。 色散效应和偏振效应是单光子在光纤传播中的两个重要问题。色散是指在光 纤中传播的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。 色散会使光脉冲的宽度变大，影响其到达时间及相位。光纤本身是色散介质，常 规标准单模光纤在波长1 5 5 0 n m 附近时色散很弱，损耗最低，故本实验系统主要选 用这个波长的光进行传播。对于偏振效应，需要有专门的偏振反馈控制模块进行 光子偏振态的校正。 自由空间也是光传播的主要媒介，光在自由空间中传播，色散效应很微弱， 没有双折射效应，光子的偏振状态不会发生变化，这是一个可以利用的重要优点。 单光子密码通信中最常用的就是偏振光，研究表明自由空间中，波长在7 7 0 n m 附 近的衰减很小，在这一频段的单光子检测装置已经非常成熟，设备可以从市场方 便地获得。虽然自由空间有着它独特的优点，但也有着种种不利因素，利用自由 空间作光子传输通道的一大缺点是直视性差，波长短，绕障能力差，恶略的天气 状况，多云、下雨都会阻断通信i l j 。 量子密码学最重要的应用是量子密钥分发，其目的是使通信双方可以利用不 可靠的信道，完成可靠的密钥协商。量子密钥的安全性依赖于密钥的生成与管理 机制，管理机制确保通信双方可以发现窃听者的存在，从而保证密钥的安全性。 诸多量子密钥分发协议中，b b 8 4 协议是最早提出的，也是在目前研究中使用最多 的一种。本实验提出的也是基于b b 8 4 协议的一种量子密钥分发方案。 2 3 1b b 8 4 协议内容 2 3b b 8 4 协议 b b 8 4 协议是量子密码中提出的第一个密钥分发协议，由于是由c h b e n n e t t 和g b r a s s a r d 于1 9 8 4 年提出的，故称之为b b 8 4 协议。在同年的美洲密码会议上 他们又对该协议作了补充，最终版本发表在1 9 9 2 年的密码学杂志上。 b b 8 4 协议以量子互补性为基础，协议实现简单，具有无条件安全性。此协议 中，密钥是由接收端和发送端先各自独立的产生一串随机数，再通过量子态的传 递将双方的随机数联系起来，之后双方通过协商来选定一部分信息作为密码本【7 j 。 该协议的实现需要两个信道：一个是经典的公共信道；另一个是量子信道， 用于传送携带随机数的量子态。协议中，量子态对应于经典二进制码，下面的讨 论基于选用光子的偏振状态编码。如图2 2 所示，以水平或4 5 0 偏振对应经典比特 0 ，竖直或一4 5 0 偏振对应于经典比特1 。 1 0 一种量子保密通信系统关键技术的研究与实现 卜 0 0 9 0 04 5 0 。 一4 5 0 图2 2 量子的四种偏振态 令i ) 对应于光子作垂直偏振；l 识。) 对应于光子作水平偏振；l 九。) 对应于光 子的4 5 。偏振；l a 。) 对应于光子的一4 5 。偏振。这四种偏振态可用l 吒气) 表示，、 屯取值为0 或1 。其中i 丸) 与j 咖。) 相互正交，组成量子位的正交归一基矢z ；i 九。) 与i 如，) 相互正交，组成量子位的另一正交归一基矢x 【l j 。 b b 8 4 协议的主要通信过程如图2 3 所示，其中发送端称为a l i c e ，接收端称为 b o b ，窃听者称为e v e i ) a ii c e 随机选择一串二进制比特和每一个比特转化成光子偏振态时所用的基，即 直线基r 或斜线基d ； 2 ) a li c e 按照自己随机选择的基和二进制比特来调制光子的偏振态( 比特o 对应水 平偏振态和4 5 。偏振态，比特1 对应垂直偏振态和一4 5 0 偏振态) ，并将调制后 的光子按照一定的时间间隔依次发送给b o b ； 3 ) b o b 对接收到的每一个光子随机选择测量基来测量其偏振态，若测量基一致则可 得到确定的结果，测量基与原发射基不一致则得到0 。和9 0 。偏振态或4 5 。和 一4 5 0 偏振态的概率各为5 0 ； 4 ) b o b 按照接收光子的偏振态与二进制比特的对应规则得到另外的二进制比特，此 处规则与a l i c e 相同，相当于解调过程。由于探测器以及信道传输的原因，b o b 会有一些光子没有接收到； 5 ) a i i c e 和b o b 利用经典信道进行通信结果比对，b o b 通知a l i c e 所选用的每个比 特的测量基，a l i c e 通知b o b 哪个测量基是正确的并保留下来，其余的丢弃。在 假设没有e v e 窃听的情况下，保留由正确测量基得到的二进制序列，即为原始密 钥。 6 ) b o b 需通过经典信道发送给a 1i c e 一些他在正确的测量基下测得的态，a li c e 验 证b o b 发给自己的态是否正确，误码率小于一定值的情况下，断定没有第三方窃 听，否则认为有第三方窃听的存在，放弃本次通信。若a l i c e 断定没有窃听，则 通知b o b 本次协商有效，没有公布的正确测量基对应的比特，即为双方后续通信 的密钥。至此，b b 8 4 协议工作完毕。 第二章量子保密通信系统 2 3 2b b 8 4 协议的安全性 图2 3b b 8 4 协议的工作过程 b b 8 4 协议的安全性是由海森堡不确定性原理和量子不可克隆原理保证的。也 就是说，其安全性由量子物理原理保证。后来经大量实验证明，至少到现在还没 有人能找到该协议的漏洞。 b b 8 4 协议的安全性可定性分析如下：在光子的四个极化态中，0 。和9 0 。是 线偏振态；4 5 。和一4 5 0 是圆偏振态。线偏振态和圆偏振态是共轭态，满足不确定 性原理。根据不确定性原理，如果对线偏振态光子测量越精确，对圆偏振态光子 的测量就会越不精确。因此，任何窃听者的测量必定会改变原量子比特，这样通 信双方便可察觉。此外，线偏振态和圆偏振态是非正交的，因此它们是不可区分 的，窃听者不可精确测量每一个量子态。综上所述，量子不确定性原理和量子不 可克隆原理保证了b b 8 4 协议的无条件安全性。 1 9 8 9 年，美国i b m 公司的b e n n e t t 和加拿大m o n t r e a l 大学的b r a s s a r d 等人用 实验验证了b b 8 4 协议。 一种量子保密通信系统关键技术的研究与实现 2 4 量子保密通信主要技术 保密通信系统最重要的两个方面是安全性和物理实现。安全性是系统的核心 内容，物理实现一般有两种方式：软件实现和硬件实现。数学密码系统的安全性 主要依赖于数学模型，而量子保密系统的安全性还依赖于相应物理系统的特性。 因此，一个量子保密系统的基础是量子比特的性质和对其进行的量子操作。量子 保密系统的主要技术就是量子比特的制备，变换，检测等环节所用的技术1 2 j 。下面 就从这几个方面阐述。 2 4 1 量子信号 信号是信息的载体，经典信号的变化特征可以采用经典物理的方法来描述。 经典信号不能携带量子比特，这就需要量子信号。这里的量子信号就是指在变换、 传输和处理中具有量子特征的信号，它们满足量子物理学的基本规律。与经典信 号相比，量子信号是量子信息学中的基本概念，是量子信息和经典信息的载体。 物理意义上，量子信号是指随时间变化具有明显量子效应的的物理量，该变量符 合量子物理的规律。 一般，当考虑的物理量a 满足关系： a 壳 时，就要考虑它的量子效应，壳为归一化普朗克常数，与a 相关联的物理系统可 以作为量子信号。 微观系统都具有量子效应，光子、电子、离子等都可以作为实现量子通信的 量子信号，但由于技术所限，微观系统制备困难，不适合大范围应用。除微观系 统外，压缩光、调制下的相干光等宏观系统也具有量子效应。由于光信号具有良 好的传输特性，目前主要采用光信号的传输特性来设计量子通信系统。 下面介绍几种典型的量子信号： 一单光子量子信号 爱因斯坦的光量子理论表明，光子具有波粒二象性，是典型的量子信号。按 照这个理论，光子是基本粒子，没有内部结构，因此具有不可分离性，这个特征 为量子通信的安全性提供了良好保证。 由于单光子的制备和检测困难，直到1 9 世纪末才出现一些制备单光子的技术， 如光子转栅技术，自发辐射参量下转换技术等。但是这些技术传输距离一般很短， 对于实际应用有较大困难。比如，法国的a g r a n g i e r 小组完成的基于单光子信号的 量子密钥分配系统，将单光子编码成四个极化态，实现b b 8 4 协议，室温下在空气 中仅传输了5 0 米，传输速率仅为7 7 k b p s 2 1 。 第二章量子保密通信系统 单光子量子信号不可分离的特性非常适合于量子保密系统，具有非常好的安 全性。但是如上所述，按目前的技术水平，基于单光子量子信号的系统存在一些 弊端，所以目前该方案很难在实际应用中成功实现。 二微弱激光脉冲量子信号 由于制备单光子的困难和单光子本身存在的弊端，可以考虑用其它方法进行 传输，直接的思路是增强信号强度，这可使用高强度的激光实现。但是，一个激 光脉冲里一般包含有大量光子，这样的激光不具有量子特性，不能利用单光子的 不可分割性，也就难以保证通信系统的安全性。为了制备出接近单光子性能的量 子信号，可以使激光变得非常微弱。目前，使用常规的半导体激光器产生弱激光 脉冲，再通过光衰减器就可实现此目的，本实验方案也是使用这个方法来模拟制 备单光子源。 需要说明，衰减激光脉冲期望达到的理想状态是每个光脉冲中仅含有一个光 子，这在实际中是很难实现的。激光光子的数目服从泊松分布，通常是有些光脉 冲里含有多个光子，有些脉冲中不含光子，为了保证这种技术制备的量子信号接 近单光子量子信号的特征，一般取单个激光脉冲内的平均光子数1 。计算表明， 这种情况下的激光脉冲信号具有明显的量子效应，接近单光子量子信号的特征【l 】。 具体计算方法如下：设每个光脉冲中含有的平均光子数为j l l ，激光脉冲中光 子数服从泊松分布，则出现含有n 个光子的脉冲的概率为 p o ，) = 等p 叫 ( 2 - 8 ) 当1 ，pl 拧 。，p ) = ! 二等竺袢=! 二! ：! ! 出旦 1 一e p 2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 多光子脉冲可能被窃听者窃听，为保证通信安全，j l l 值不能取的过高：但极大的 降低j l l 值也是不好的，零光子脉冲在技术上不利于量子信号的检测，因为背景噪 声有可能把零光子脉冲当作有光子的激光脉冲。本实验系统j l l 取值0 1 ，也就是说， 平均每十个激光脉冲才含有一个光子，并且每个激光脉冲含有2 个或以上光子的 1 4 一种量子保密通信系统关键技术的研究与实现 概率较低，大约在5 ，可以很好的模拟单光子水平的实验。 使用微弱激光脉冲做量子信号有实现方便、系统构成简单等优点，但也存在 一些缺点，比如脉冲序列中空脉冲比例过大，不利于信号的检测；光源仅是近似 单光子源，这有可能使窃听者能够在不被发现的情况下完成整个窃听过程；光纤 长度过长时，衰减过大，到达接收端的有效光子数有可能和暗计数相当。 三其它量子信号 除上述两种量子信号外，还有调制相干光量子信号，压缩光量子信号，光孤 子量子信号。其中，光孤子量子信号有良好的传输特性，可以在5 0 1 0 0 公里的范 围内稳定传输，技术上比实现单光子信号容易。另外，具有纠缠特性的量子光孤 子纠缠对也在实验上取得成功。人们对量子光孤子信号用于量子通信的前景很看 好。 2 4 2 量子比特制备 量子信号是量子信息的载体，量子比特可以表示量子信息。 在经典通信系统中，载体与比特是相互独立的，例如在无线通信中，载体是 高频电磁场，比特可以是通过低频信号的电平。但是在量子信息中，信号与量子 比特是一体的。例如，单光子是一个量子信号，也是一个量子物理系统，该系统 中光子的偏振状态可编码为量子比特，用于表示量子信息；同一个光子的相位也 可编码为另外的量子比特。 量子比特的制备技术包括单量子比特制备技术和复合量子比特制备技术。其 中单量子比特制备技术主要有偏振量子比特，空间模式量子比特，时隙量子比特， 频率量子比特和多进制量子比特。本实验采用基于b b 8 4 协议的偏振编码方案，按 照协议要求，制备了模拟单光子源后，需要调谐o o ，9 0 0 ，4 5 0 和一4 5 * 四种偏振态 的光子，故此处使用的光子属于偏振量子比特范畴。 2 4 3 量子信号检测 量子保密系统中的量子信号通常采用光信号，故检测系统一般采用光电检测 系统。量子保密系统的检测系统需要具备两个基本功能。首先，检测系统必须能 检测出很微弱的量子信号，这是用一般的光电检测设备检测不到的；其次，系统 还必须能检测出量子比特。具体地，在经典光电系统，比如光纤系统中，检测的 主要是光信号的能量，但是在量子保密系统中检测的是信号的某种量子力学状态， 例如偏振，相位等。这使得量子信号的检测难度较大。由于本实验方案使用的是 模拟单光子源，下面主要讨论单光子检测技术。 单光子的检测是量子保密通信的关键技术之一，这里先对其原理做简单描述。 第二章量子保密通信系统 与通常的光通信不同，单光子检测的一般要求是：在与光子源匹配的频谱中有足 够高的灵敏度：噪声要低，在没有光予射入时产生的暗计数要少；反应及恢复速 度要快。 在单光予密码通信中主要使用雪崩式光电二极管( a p d ) 来检测光子。a p d 是一 种半导体器件，对应不同的工作波长，有不同的半导体材料可选。硅、锗、铟镓 砷，铟镓砷材料的响应覆盖了1 3 微米到1 5 微米的光通信波段，适合于作光子探 测的核心部件。 在光电二极管的p - n 结上加足够高的反向偏压时，会在结区产生很强的电场， 光照p - n 结所激发的光生载流子在这个强电场中将会得到加速，从而获得足够的 能量。载流子在定向的运动中与晶格原子发生碰撞，使之电离，产生新的电子一 空穴对。新的电子一空穴对在强电场的作用下分别沿相反方向运动，又获得足够 能量，碰撞晶格原子，产生新的电子一空穴对，不断重复该过程，p - n 结内电流会 急剧增大，这个现象称为雪崩效应。利用此特点，a p d 可以检测到光子的入射。 发生雪崩时a p d 所处临界电压称为雪崩电压，在单光子探测器中，a p d 工作于盖 革模式，即a p d 上加略高于雪崩电压的反向电压，探测器处于临界等待状态，当 有光子入射时，将发生雪崩放大过程，完成一次单光子探测【2 9 】。 a p d 是有增益的光电二极管，电流增益用倍增系数表示： m ：生， i r 式中，r 为雪崩倍增前p - n 结上的反向电流，为雪崩倍增后的反向电流。倍 增系数与a p d 的材料、结构以及p - n 结上的反向电压有关。a p d 上外加电压超过 雪崩电压圪时，m 迅速增大，如不加控制，雪崩电流会导致p - n 结发生永久性击 穿。 在单光子检测中，以下两个因素影响到的单光子的检测效率：第一，暗计数 是影响探测效率的主要因素。光子信号和噪声信号都以计数脉冲的形式出现，无 光子入射时，由噪声引起的计数脉冲称为暗计数。引起暗计数的主要原因是在a p d 的光子作用区内由热激发产生了电子一空穴对，这些载流子与激光激发的载流子 有同样机会得到倍增。第二，雪崩效应过后的残余电子一空穴对影响a p d 能达到 的最高工作频率。雪崩效应过后，残留的电子一空穴对完全消失需要数十纳秒至 数十微妙的时间，反向电压超过击穿电压时，任何残留的电子、空穴都可能引起 新的击穿，造成伪计数。 a p d 发生雪崩时，探测器处于死时间内，不能对入射光做出正常的响应。为 了进行下一次探测，必须关断雪崩电流，使a p d 回到等待状态，称为雪崩抑制。 抑制过程越快死时间越短，探测器的重复频率就会越高。 1 6 一种量子保密通信系统关键技术的研究与实现 根据以上量子保密通信的主要技术，下面详细描述本实验平台的具体方案。 2 5 实验方案 本实验的主要目的是根据b b 8 4 协议设计量子保密通信系统，从而进行量子密 钥的分发。主要部件包括用于密钥协商的发端和收端计算机，用于产生一路同步 信号和四路数据信号的发端电路，进行光电转换的二极管，光偏振状态调制的三 鼓轮偏振控制器，光衰减器和线性光学合路、分路器，单光子探测器，为探测器