BB84协议.doc

BB84协议 在光学系统中QKD协议是通过四种量子态来传输信息的。该方案的实施是靠经典信道和量子信道两个信道来实现的，其中前者的作用是使Alice和Bob进行通信密码的协商，也就是在该信道上传递控制信息；后者的作用是使Alice和Bob双方进行量子通信。其量子通信系统如下图所示：图3.1 基于BB84协议的量子通信系统在光系统中，BB84协议使用四个光子的偏振态来传输信息，这四个量子态又可以分成相互非正交的两组，而且每组中的两个光子的偏振态是正交的同时这两组又是相互共轭的。如果是单光子通信系统，则这四个量子态分别为光子的水平偏振态（记作）、垂直偏振态（记作）、偏振方向的偏振态（记作）、偏振方向的偏振态（记作）。其中，前两个态为一组测量基，后两个态为一组测量基。当发送方Alice与Bob进行通信时，不是只使用某一组测量基，而是按照一定的概率同时使用两组基。BB84协议的工作过程如下： 第一阶段 量子通信1) Alice从四种偏振态中随机选择发送给Bob。2) 接收者Bob接受信息发送方Alice传输的信息，并从两组测量基中随机选择一个对接收到的光子的偏振态进行测量。 第二阶段 经典通信3) 接收者Bob发送信息给信息发送方Alice并告知他自己在哪些量子比特位上使用了哪一个测量基。信息发送方Alice 在接收到Bob发送的消息之后，与本人发送时采用的基逐一比对并通知接收者Bob在哪些位置上选择的基是正确的。4) 信息发送方Alice和接收者Bob丢掉测量基选择有分歧的部分并保存下来使用了同一测量基的粒子比特位，并从保存的信息中选取相同部分在经典信道中作对比。信道安全的情况下信息发送方Alice和接收者Bob的数据应当是没有分歧的。若存在窃听，则Alice和Bob的数据会出现不同的部分。5) 如果没有窃听，双方将保留下来的剩余的位作为最终密钥。在Alice 到 Bob 的通信过程中，假如Eve对光子进行测量重发攻击。由于在通信过程中使用了两个测量基，根据海森堡测不准原理，Bob和Eve在测量基筛选后保留下来的结果中能够正确测量Alice发送二进制位的概率最大为。此时，最终Bob对信息进行筛选之后的QBER为。假如Eve以的概率进行窃听，也就是一个光子被截获的概率为，或者说截获的光子数占光子总数的。如果，则表示每一个光子都会被Eve截获。此时，由于Eve的干扰，Bob的量子误码率21变为 （3.1）例如当=1时，Bob的误码率从变为。也就是说，根据物理学中的测不准原理等基本物理规律窃听者的窃听行为肯定会使Bob的QBER值发生变化，这时，通信双方通过误码率的分析就能发现窃听者是否存在。 BB84协议在理论上已经被证明是一种绝对安全的量子密钥分发方案，而且它的安全性是由量子力学基本定理海森堡测不准原理和量子态不可克隆定理保证的，只有有窃听者存在，就会引起接受者一端误码率的变化，进而就会被Alice和Bob发现。但是，这种理论上的绝对安全性并不意味着以该方案为基础的实验都是安全的，因为实验中要求的单光子源在现实中的技术难度是很高的，而且，用若脉冲代替单光子源存在一个弱脉冲中所包含的光子数大于1的情况，这就大大降低了BB84协议的安全性能。另外，由于在进行误码率分析时需要大量的数