【毕业学位论文】(Word原稿)量子密钥分发系统量子保密通信的研究-光信息科学与技术

摘 要 自从 1992 年量子密钥分发演示试验的成功以来，量子密码术得到人们越来越多的关注，并在近年来得到迅速的发展，针对原有各类密码体制在安全性方面所存在的缺陷，基于量子理学的测不准原理和不可克隆原理为依据的量子密码术，在理论上达到了绝对的安全，并以此优点，将很快在网络通信上得到广泛的应用。 量子密钥分发系统总体上可分为准单光子源的系统和纠缠光子源的系统，截至 1992年为止，所提出的量子密钥分发协议共有三种，包括应用于准单光子源系统的利用偏振光进行量子密钥分发的 议，和使用两个非正交量子 态来实现密钥分发的 议；以及应用于纠缠光子源系统的利用两个粒子纠缠态进行密钥分发的 议。本文对国际上量子保密通信的研究进行了概述和分析；分类介绍了几种具有代表性的量子保密通信系统，包括准单光子源的实验系统和纠缠光子源的系统；分析、比较了各种系统的优缺点。其中，准单光子源的实验系统又可分为偏振编码实验系统和相位编码实验系统，而纠缠光子源的实验系统又可分为 偏振编码系统、相位编码系统和 明亮 缠光束的偏振编码系统 。另外再基于原有系统的基础上，针对各类系统的缺点，介绍一些相应的改良系统并分析其优点。 最后，我们还搜集了一些新型的系统，包括 相位偏振编码的量子保密通信系统 、 差分相移键控协议的双向量子密钥分发系统 、 时间和相位混合编码的量子密钥分发系统 以及 条件参量下转换光子对的非正交编码诱惑态量子密钥分发系统 ，分析各系统的优点；同时还指出了未来量子保密通信系统的发展方向。 关键词 量子保密通信 单光子源 纠缠光子源 偏振编码 相位编码 目 录 1 前言 . 错误 !未定义书签。 2 准单光子源的实验系统 . 错误 !未定义书签。 偏振编码实验系统 . 1 光电开关实现偏振编码的实验系统 . 错误 !未定义书签。 四个激光源实现偏振编码的实验 系统 . 3 偏振稳定控制下的实验系统 . 3 相位编码实验系统 . 错误 !未定义书签。 利用 涉仪实现相位编码的实验系统 . 错误 !未定义书签。 “即插即用”编码系统 . 错误 !未定义书签。 相位编码改进系统 . 错误 !未定义书签。 3 纠缠光子源实验系统 . 错误 !未定义书签。 偏振编码系统 . 错误 !未定义书签。 相位编码系统 . 错误 !未定义书签。 明亮 缠光束的偏振编码系统 . 错误 !未定义书签。 新型纠缠光子源实验系统 . 错误 !未定义书签。 基于超纠缠交换的量子密钥分发系统 . 错误 !未定义书签。 4 其它新型实验系统 . 错误 !未定义书签。 相位偏振编码的量子保密通信系统 . 错误 !未定义书签。 基于差分相移键控协议的双向量子密钥分发系统 . 错误 !未定义书签。 时间和相位混合编码的量子密钥分发系统 . 错误 !未定义书签。 基于条件参量下转换光子对的非正交编码诱惑态量子密钥分发系统 错误 !未定义书签。 5 结语 . 19 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参 考 文 献 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 1 1 前言 量子保密通信 1是近年发展起来的一种绝对安全的密钥分发技术，其安全性以量子理学的测不准原理和不可克隆原理为 依据 ，即在异地共用相同的光子产生密钥，密钥产生过程中的窃听在密钥产生事前即被发现，相比于各类传统密钥体制而言，理论上可以证明是绝对安全的。自从 1992 年量子密钥 分发演示试验的成功以来。各类实验系统在实验室相继采用，有基于 协议和 协议对单光子源的要求采用的以微弱光为实际光源的实验系统，有基于 协议采用的以纠缠光子源为实际光源的实验系统。 目前研究处于国际领先水平的国家，如美国、英国、瑞士，已经逐步走向应用。如美国 2000年在自由空间使用量子保密通信系统成功实现传输距离 国 验室已在常规光缆线路上实现量子保密通信距离达 55士日内瓦大学成功建立量子密钥分发系统 跨湖传输长达 23前，量子保密通信距离已 超过 100瑞士、美国，量子保密通信系统已经商品化。 在中国，量子密码通信的研究起步较晚，但通过自身不懈努力，以及与国际领先水平国家的合作，取得了不错的成绩，如 2007 年国际上首个量子密码通信网络由我国科学家在北京测试运行成功，这是迄今为止国际公开报道的唯一无中转、可同时、任意互通的量子密码通信网络，实现了 150室内量子密钥分配 3。本文着重介绍采用单光子源实验系统和纠缠光子源实验系统 以，以及相应的系统改善 ，并介绍一些新的 实验 系统 ，分析各种系统的优缺点。 2 准单光子源的实验系统 目前 真正的单光子源 在实验上很难实现。在实际实验系统中往往利用强衰减的激光脉冲来代替理论上的单光子，即经过强衰减系统使输出光每脉冲平均光子数为 此条件下，就可认为在光路中传输的是单光子脉冲。利用单光子源的实验系统 一般 采用两种编码方式： 偏振编码和相位编码。偏振编码系统的优势在于结构简单、易于理解。齐缺点在于由于光纤的色散使光的偏振状态在传输过程中很难保持以致于造成误码。并且由于双折射的影响，其传输距离受到很大的限制。而相位编码系统的优点在于相位调制器的响应速度快，可实现快速编码 ，并且比较好地解决了双折射的问题，从而增加了 传输距离。其缺点在于光在传输过程中其相位易发生漂移。下面从原理上分别介绍这两种实验系统以及其优缺点，并介绍现有对两种系统的相应改进。 偏振编码实验系统 这里主要介绍 三 种使用偏振编码的实验系统：用光电开关实现偏振编码的实验系 2 统 ， 用四个激光源实现偏振编码的实验系统 ，以及偏振稳定控制下的实验系统 。 光电开关实现偏振编码的实验系统 4 图 1 光电开关实现偏振编码的实验系统 图 2 光电开关实现偏振编码的改进实验系统 图 1 所示系统是利用 议的编码 系 统，图中有 （ 信号发送方 ） 经 P（ 圆起偏器 ） 变为圆偏振光，光电开关 ） 进入四个 起偏器 ） 可随机获得四种不同偏振方向的单光子 (0、 45、 90、 135)。由 耦合器 ） 、 偏振控制器 ） 和后面的 5旋转器 ） 共同用来选择 探测基。即 送的偏振方向随机的单光子进入 （ 信号接收方 ） 后通过 能走上面的路径经过 45变偏振态进入 偏振分束器 ） ，也可能走下面路径进入 被单光子探测器 测到。这里上面路径相当于 择了测量基“”进行测量，下面路径相当于择了测量基“ ”进行测量，然后 布选择的测量基， 告诉些测量基选择正确，最后根据双方协议就可得到密钥。响应频率达几兆赫兹，使编码速度有所提高。此 系统经过改进后变为图 2 所 3 示系统，采用了 编码方式，由原来的四态编码变为现在的两态编码，使系统变得简单、 经济、可行。从图 1 和图 2 中可比较看出 只需两只 代替了原来的四只， 只用两只普通的 代替了原来的两只 45及不仅大大简化了实验装置，而且节省了许多价格昂贵的器件，而使实验变得更加经济可行，但缺点是编码速度比原来降低了一半。 四个激光源实现偏振编码的实验系统 4 图 3 四个激光源实现偏振编码的实验系统 此系统也是利用 议的编码系统，由图 3 可见 四个激光源可以发送一串偏振方 向随机选定的光脉冲 （ 可能是 0、 45、 90、 135） 经过 偏振控制器 ） 、称为单光子进入 ，经过 分束偶合器 ） 随机选择走上面路径或下面路径进入 偏振分束器 ） ，后杯单光子探测器 某一个探测到。相当于 机选择了测量基“” （ 上面路径 ） 或测量基“” （ 下面路径 ） 进行测量，然后 布选择的测量基， 告诉 些测量基选择正确，最后根据双方协议即可得到密钥。这种通过调节四个激光器的开关 （ 开关时间可达 10进行调制的方法大大提高 了编码速度，比图 1 所示系统的编码速度提高了 100 倍左右。其缺点在于必须使用四个完全一样的激光器，否则很容易倍窃听，切使用了较多的激光器、偏振分束器及探测器，使系统造价较高。 偏振稳定控制下的实验系统 5 具有偏振反馈控制功能的实验系统如图 4 所示， 整个实验过程通过计算机程序控制，并 通过定义两个阈值，在通信双方的控制程序中准备两套运行状态 “通讯”状态和“偏振控制”状态，通过相应单光子探测器的计数所购成两个斯托克斯参数分别与两个阈值的比较，控制通信系统在两种 运行 状态之间切换 。 4 图 4 偏 振控制下的实验系统 图 5 偏振态的邦加球表示 整个实验流程如下：当通信双方准备完毕后，将各自的运行状态设定到“通讯”状态，由 过局域网向 出通信请求， 到请求后开始准备随机码并通过数据采集卡给 供驱动信号，并将光开关 (转到 置， 知采集 1 的数据，并保存为一个比特序列。当 N（ N 通过程序设定）组数据采集完成后，转入“ 偏振控制 ” 状态， 出“偏振检测”请求， 到请求后，固定的触发 由 0 和 1 组成的随机信号改为 全 1 信号），因此信号光的初始偏振态为确定的H 方向（如图 5 所示），同时光开关 跳转到 道。 将 个探测器的计数送入计算机，通过程序计算斯托克斯参量，并与设定阈值进行比较，如果 1, |2，那么 5 过偏振偏移量（即 S 和 T 的差量）的大小提供两个反馈信号，由数据采集卡输出两个模拟电压信号，经过电压放大以后 ，分别控制偏振控制器的两个压电陶瓷挤压光纤，实现偏振方向绕 转（如图 5），同时程序对偏振变化情况进行实时监测，当 1, |)/2，然后 |、|循环一周后又回到耦合器相遇，相位调制器 别对态 |、 |调制，在耦合器处干涉就决定了最后光子是从端口 1、端口 2 出来 。这样就组成了一个编码解码系统，能 完成量子密钥分发实验，此实验系统使从分束器出来的处于叠加态的光子走的路径完全一样，解决了因外界影响导致的相对相位的改变，从而在耦合器处能产生稳定不受外界影响的干涉。 (2)长距离长期稳定的量子密钥分发系统 6 如图 10 所示， 整个系统架设在一个 3m 的光学平台之上，并 使用两台计算机分别作为 制端。 在密钥交换过程中，首先 由 过局域网向 出密钥交换请求，待 备准备就绪便开始密钥交换。 出起始信号触发单片机80生 512 个频率为 时钟脉冲 ，通过精确的延时控制， A、 B、 C、 D 四 8 路时钟信号准确地控制 作。当密钥交换完 512 个周期后， 的数据便传送入计算机， 得 组信息，而 信息， 据事先双方协定好的 议筛选密钥，并将有效密钥的次序通过通信电缆传给 次密钥交换结束。 该系统利用 往复 光路补偿相位偏移和偏振抖动的原理，结构简单、稳定且干涉对比度高。由于系统采用结电容平衡魔 T 网络耦合的单光子探测技术，有效厄了短门脉冲模式的雪崩光电二 极管结电容尖峰噪声影响，单光子探测效率大于 5%，单脉冲暗计数 (于 3 10同步控制方面，系统采取单片机与 550s 且精度达到纳秒量级的时钟信号控制模块，并且采取偏振无关以及稳定偏振态的相位偏码解码方法，干涉对比度达 系统开发了通用串行总线 据采集模块，不仅采集速率高，而且使用简便，即插即用。 图 10 长距离长期稳定的量子密钥分发系统 (3)双偏振分束器的量子密钥分发系统 7 此系统为 利用 涉仪实现相位编码 实验系统 的改良系 统，如图 11 所示， 给 送一个短激光脉冲，来初始化传输过程 。 经环形器到达 X 形耦合器的光脉冲被分为两路，分别经 涉仪的短臂（图中上臂） 长臂（图中下臂）达偏振分束 /耦合器 1 的输入口 1、 2 后径直向 播，长臂与短臂的差就使两路光相互之间有了一定的时间延迟，实现了时分复用，光脉冲 干线、Y 形耦合器、偏振控制器 4 和衰减器到偏振分束 /耦合器 2，分别从偏振分束 /耦合器 2 的输出口 1， 2 输出并且分别沿着顺时针方向与逆时针方向在 中传播。了给她的比特编码，使用相位调制器 2 只调制光脉冲 相位。 用另一个 9 相位调制器 1 只对 行调制，然后观察 干涉结果，并通过单光子探测器 2 进行探测。 如果 自的相位调制器都没打开，那么干涉结果为干涉（两个脉冲经过了完全相同的路径） 即 ,其中 A 和 B 分别为 入的总的相移，此时单光子探测器 计数。如果 变了干涉脉冲之间的相位，即 ，则干涉结果将变为相消干涉，单光子探测器 计数。 相关的相位调制了的光强，可以用来从 送信息。 这套装置的第一特性是干涉仪自动调整的；第二个特性是利用 纤偏振控制器的可逆性工作特点，解决了铌酸锂波导式相位调制器的偏振相关性以及偏振相关损耗的问题。 图 11 双偏振分束器的俩你个子密钥分发系统 (4)高稳定的差分相位编码密钥分发系统 8 在差分相位调制 案中， 允许脉冲串全部通过，脉冲的透明传输使协议效率得到了最大限度的提高，但脉冲个数和干涉模式的确定性也给窃听者的窃听带来了方便，给系统 安全性带来了隐患。为了搭建既高效又安全的差分相位调制 统，我们在 采用了窄门控技术，采用多模式的脉冲传输来提高系统的安全性，系统如图12 所示。 采用如图 13 所示的四种方案选择性地开启门控装置。方案 (1)中允许四 10 个脉冲全部通过，方案 (2) (4)选择性地允许相邻脉冲通过， 随机采用以上四种方案 ， 抗窃听能力得到了提高，增强了系统的安全性。 图 12 高稳定的差分相位编码系统 图 13 的门控方案 与基本协议不同的是， 事先有一个绝对安全的密码本，规 定了 选用方案 (1)时，将告知 测器探测到光子的时刻；在选用方案 (2) (4)时， 要告知 否探测到光子的时刻， 合规定的方案次序和 探测结果，就知道哪个探测器响应， 方就获得一致的密码本序列。 差分相位编码 统适合在光纤中实现，比传统的方案更高效，能实现更长距离的通信。差分相位编码 案的信息是靠相邻脉冲的相位共同决定的，这样就降低了窃听者的成功概率和窃听信息量，增强了 统的安全性，这里提出的改 进的差分相位编码量子密钥分发 统，不但具有上述的优势，而且以双 涉仪代替 涉仪，并证明它可以主动补偿光纤传输中的随机双折射效应和极化相关损耗，消除偏振衰落现象，系统的稳定性得到了提高。窄脉冲门控技术的采用使得脉冲数目和干涉模式实现了多样化，一定程度上改善了系统的安全性，是一种实用的长距离量子光通信系统 (5)稳定的低噪声自由空间量子密钥分配系统 9 11 此系统为 利用 涉仪实现相位编码 实验系统 的改良系统， 采用双 涉仪代替传统的 涉仪 ，实验系统框图如图 14 所示。量子密钥分配过 程为： 1)手，并指令 动 序； 2)的探测器从第二个脉冲时刻处开始有响应，这样， 录下每个脉冲时刻哪个探测器（ 生响应；3)诉 测器有效响应（只有一个探测器有响应称为有效响应，其他情况，如两个探测器都有响应或都没有响应则做丢弃处理）的时刻； 4)从以上信息以及 调制数据， 可知道每个脉冲时刻 究竟是哪个探测器发生响应； 5)假设探测器生响应代表“ 0”，而探测器 生响应代表“ 1”，这样， 拥有了一组可以作为密钥的字符串。 显然，整个量子密钥分配过程中， 是向外公布了一系列时刻数据，最后生成的字符串信息并没有泄露给外界。 图 14 自由空间差分密钥分发实验系统 实验采用偏振短脉冲差分方案在 双射镜干涉仪作差分接收可以补偿振动引起的偏振漂移。偏振传送 /偏振接收的方式可以有效降低阳光背景噪声。 实验表明该系统稳定性好，采用纳秒级脉冲和单光子探测器门控技术可减少背景噪声，有很好的应用前景。 (6)基于随机相位编码的确 定性量子密钥分配系统 10 如图 15 所示， 相位调制器， 单光子探测器， 衰减器， 先， 机选择 对量子比特 |0进行相位调制，将 |1=U()|0发送给 到 送过来的量子比特，使其通过不等臂的 涉仪，并在长臂随机对其进行相位编码，调相 代表发送比特 1，调相 0 代表发送比特 0，也即 |2 12 U(/0)|1 U( /)|0，并将其发送回给 样在自己的不等臂 涉仪，对返回的量子比特进行 相位调制，其结果为 |3=U(2 U(/0)|0，在理想情况下，两个探测器会得到确定的响应， 相 0，探测器 1 响应，代表比特 0；反之，探测器 2 响应，代表比特 1。使用随机的相位 调制发送信号，不断重复上述过程， 会获得一致的秘密比特串。由于信道噪声，探测器的暗计数等客观因素，以及在的可能性， 自拥有的两份量子比特序列并不完全一致。为了确保获得可作为密钥所需的一致的安全比特串，后续的步骤为误码调解，秘密放大，又或者应用经典密码学中验证数 据完整性的方法，采用单向的 数。 本实验系统中，通信双方不需要公布测量基的选择，也不需要丢弃测量基不匹配的量子比特，大大提高了量子密钥分配的效率；由于编码过程是随机的，即便窃听者截获量子比特，也无法获得关于相位调制的信息，提高了通信的保密性；同时，本系统 还 具有抗干扰能力强，极限传输距离远的优点，结构简单，易于实现。 图 15 随机相位编码的确定性 统 3 纠缠光子源实验系统 基于纠缠光子对编码的原理首先是 1991 年提出的，与基于单光子编码的原理相比其优点有： (1)除去了控 脉冲的影响。这是因为在探测器探测到光子的时候另一探测器也探测到其伴随光子； (2)由于不同光子对之间没有联系，即便在光路中存在多个纠缠光子对，窃听者也不能提高窃听信息量。以下将 简单 介绍几种基于纠缠光子编码的实 13 验系统 ，以及相应的改良系统，并分析其特点。 偏振编码系统 4 图 16 中， 偏振旋转器， 偏振分束器， 单光子探测器。偏振编码系统的优点是简单搞笑，容易获得较高的对比度，缺点在于偏振模色散使其不能在光纤中远距离编码。 图 16 用纠缠光子对的偏振编码系统 相位编 码系统 4 图 17 中， 相位调制器，通过调整相位，可以编码。利用 的 单 光子探测器与 的单光子探测器的复合计数来编码。 图 17 用纠缠光子对的相位编码系统 明亮 缠光束的偏振编码系统 4 1994 年， 理论上提出了连续变量的量子离物传态概念， 1998 年 50/50 分束器上耦合构成一对连续变量的 实验上实现了连续变量的量子离物传态。继后， 山西大学光电所先后提出利 用明亮压缩光去实现量子离物传态和量子密集编码的理论方案，下面介绍的是利用明亮 束和 直接测量方法，实现正交振幅和相位信号同时低于散粒噪声极限的测量。装置原理图如 图 18 所示。 图 18 中， 经典振幅和相位信号通过 幅调制器 )和 位调制器 )调制到 束的一半上，那么 束 c 中就携带了经典信号的信息。因为 束 c和 d 在正交振幅和相位分量上具有很大的噪声，在理想情况下，经典信号在 束 c 14 上的信噪比趋于 0。即除 任何人不可能从 束 c 上得到被传 输的经典信号，因为它淹没在巨大的噪声中，因此量子密集编码具有保密性强的特点， 束d 的帮助下通过 束器 )与携带信号的 束 c 耦合，把要传送的信号解调出来。单光子探测器。 图 18 用 现量子密集编码实验系统 新型纠缠光子源实验系统 基于超纠缠交换的量子密钥分发系统 11 图 19 超纠缠光子对的产生装置和 局部操作 纠缠交换的概念是有 首先引入的，并且与 1998 年，由潘建伟等在实验中加以实现。光子对 光子对 别处于纠缠态（设为 ），对光子 B 和光子C 作 测量，结果回事光子 A 和光子 D 这两个没有发生相互作用的光子产生纠缠，这就是纠缠交换的过程。超纠缠是多粒子多难度的纠缠 ，例如下面介绍的系统用到的路 15 径极化纠缠光子对，它们的空间（路径）自由度处于纠缠状态的同时，极化自由度也处于纠缠状态，这时对一个光子的路径和极化自由度进行 测量，会使得另一光子的路径极化状态发生变化，这就是超纠缠交换的含义 。在该实验系统中，使用基于两光子的路径极化超纠缠，这是一个 (2 2 2 2)维的态，其 产生装置如图 19 中阴影部分所示， 她的光子进行 局部操作，再对她手中的光子进行路径极化纠缠测量，测量装置如图 20 所示。 也使用图 19 所示的测量装置对他的光子 进行 量重复密钥分发过程直至通信双方建立起所需密钥为止。该系统利用一对光子就可以产生 2机密钥，相对于基于双纠缠对的分发方法，效率大大提高。 图 20 变换和测量装置 4 其它新型实验系统 由于上述各种实验系统存在的不足 ，为了提高量子保密通信系统的各方面性能， 人们相继开发了各种新型的 实验系统，下面将介绍四种新型的实验系统，并分析其 特点 。 相位偏振编码的量子保密通信系统 12 基于位相调制偏振态的四态量子保密通信系统由一个四态量子编码器、一个四态量子解码器和传输光纤组成，其结构如 图 21 所示。首先， 随机发生器产生 0， ，3 四种电压（ 位相调制器的半波电压），位相调制器分别产生 0， /2， ，3 /2 的相位变化，四态量子编码器的输出光的偏振态分别为 45线偏振、右旋圆偏振、135线偏振、左旋圆偏振，同时， 随机发生器产生 0， ， 3 四种电压，则四态量子编码器可以分别产生 45线偏振、右旋圆偏振、 135线偏振、左旋圆偏振等四种非正交偏振态测量基，对 送的光子的偏振态进行检测，然后， 同约定：以 (0， /2)代表二进制的 0，以 ( ， 3 /2)代表二进制的 1，最后， 6 通过比对测量基后就可以产生共同的密钥。 这种用“相位调制 /偏振编码 /偏振检测”的编码方式， 避免了因时分复用技术导致信息丢失了一半的问题，从而使 效率提高 了 一倍 ，有利于提高传输距离；可以实现精确的相位补偿 ， 准确恢复光 子原来的偏振态，从而有效地降低误码率； 同时还可以对光的偏振态进行精确补偿，从而有效地降低误码率。 图 21 相位偏振编码的量子保密通信系统 基于差分相移键控协议的双向量子密钥分发系统 13 图 22 双向量子密钥分配系统 双向量子密钥分配系统 如图 22 所示。在 议中， 送单光子，随机调制到两种极化基上， 一个随机选择的极化基来测量接收到的单光子的极化状态。 议是 议双光子派生出来的协议，在 议中， 个都共享一个 纠缠光子对中的一个光子。基于这两种协议的系统在小误码率时，通信速率 17 随量子信道的传输线性减小而减小。差分相移键控 (议则与 议、 议不同，它采用很多含有脉冲的非正交基，其原理为：所有的脉冲都经过强烈衰减，并在 (0， )之间随机进行相位调制，其 组成图 如图 23 所示。在接收端， 过它的干涉仪随机调制延迟时间 的干涉仪随机选择一个正整数 N，其中 T 始终是频率的倒数。在穿过 干涉仪之后，脉冲在 出端的分光器上进行干涉，探测器是否反应取决于分隔时间 两个脉冲的相位差。 探测到光子并随机选择正整数 N 的时候进行公共广播。从他的调制信息 道哪个探测器记录了信息，这样他们通过分配器给探测器一个比特值来形成密钥。该系统的优点是具有超过 200通信距离并且有较高的通信速率。 图 23 议组成图 时间和相位混合编码的量子密钥 分发系统 14 时间和相位混合编码的量子密钥分发系统是在 位编码系统的基础上，同时再对原来相位编码方案中舍弃的未发生干涉的两个脉冲进行时间编码 ，系统结构 如图 24 所示。其中时间编码密钥分发过程为： (1)出持续时间为 t 的矩形脉冲，对每个脉冲随机地延迟 0 或 t/2， 录所发脉冲的时刻和具体时间。 (2)脉冲经过两个干涉仪后，没发生干涉的两个脉冲在时间 (0， t/2)窗口探测到光子时记为比特“ 0”，在时间 (t， 3t/2)窗口探测光子时记为比特 “ 1”。 (3)诉 何时探测到光子，但不公布记录结果， 诉 些时刻是正确的，舍弃其他不正确的结果。另外，相位编码密钥分发过程为： (1)脉冲计入 的干涉仪时， 用两组正交基 0, 和/2,3/2中的任一相位对脉冲进行调制， 录调制使用的每组基及具体的调制相位。 (2)脉冲到达 干涉仪时， 机地选择 0 或 /2 调制脉冲， 录具体的 18 调制相位。 (3) 用探测器 测经过两干涉仪的脉冲，按探测器 应而响应记为比特“ 0”，反之记为比特“ 1”方式生成密钥。 (4)过公开信道告诉所调制的相位，但不公布探测器的结果， 诉 些结果的基相匹配，舍弃基不匹配时对应的结果。最后按如下步骤处理数据：第一步， 过公开信道 交换部分数据，检查误码率的大小 以检查通信是否被窃听；第二步，通过纠错运算及秘密放大使窃听者得到的信息量尽可能小。 图 24 混合编码 统 此系统中，脉冲同时携带两种信息，加大了窃听的难度，并且成码率是原相位系统的两倍，系统编码时使用了时间信息，受环境变化的影响较小，稳定性较强，系统在通信双方使用精确的时间同步，降低了暗计数的影响。 基于条件参量下转换光子对的非正交编码诱惑态量子密钥分发系统 15 单色抽运光子流和量子真空噪声对非中心对称非线性晶体的综合作用，导致了在光的自发参量下转 换过程中，一个高频光子在非线性晶体内会以某一概率自发分裂为两个低频光子，分别称为信号光子和闲置光子，合称自发参量下转化 (子对。此系统是基于该光源为前提的， 如图 25 所示信号光和闲置光几乎是同时产生的，具有相同的性质。 在理想状态下，发送方 机地调节抽运光的强度实现随机地发出各种强度的信号光 （强度为 的信号态 （强度为 1， 2， 3， ， m）的诱惑态），同时 门限探测器探测与信号光成对的闲置光中的光子数来预报信号光的光子数，当探测到光子时开启接收端即 的探测器， 信号态和各种诱惑态编码的解码实现里采用了非正交编码 议，双光子也能产生密钥进一步塔高系统的安全性。当 毕后， 诉 号态和诱惑态的分布情况，由探测结果计算出信号态和诱惑态的计数率 ， ， ， 19 后 据信号态和诱惑态的计数率及量子误码率计算出单光子和双光子的计数率 量子误码率 后与理论值比较判断是否正常，不正常则放弃本次通信，正常则进一步纠错及 保密放大提取密钥。 由于 用的信号态的强度 一般很小，脉冲中光子数 n 5 的概率的数量级为 10小于暗计数 量级为 10可忽略，所以只需少量的诱惑态就足够了。 图 25 生光子对示意图 该系统有以下特点： 1)诱惑态量子密钥分发较非诱惑态量子密钥分发能够更好地估算出单光子的计数率和量子误码率，提高了安全密钥产生率和安全通信距离； 2)在相同安全条件下采用非正交编码协议的信号态脉冲强度比 ，提高了安全密钥产生率；3)与普通衰减光源相比，利用参量下转换光子对中 的闲置光去预报信号光的光子数情况可以大大减小长距离传输过程暗计数的影响，进而增大安全密钥传输距离； 4)用泊松分布的参量下转换光子对作为信号光可以提高密钥产生率。 5 结语 量子密码术是近年来国际学术界的一个前沿研究热点。面对未来具有超级计算能力的量子计算机，现行基于 解自然对数及因子分解难度的加密系统、数字签名及密码协议都将变得不安全，而量子密码术则可达到经典密码学所无法达到的两个最终目的：一是合法的通信双方可察觉潜在的窃听者并采取相应的措施；二是使窃听者无法破解量子密码，无论企图破解者有多么强大的计算能力 。可以说，量子密码是保障未来网络通信安全的一种重要技术。随着对量子密码体制研究的进一步深入，通过对原有系统的不断改良，越来越多的方案被提出来，近年来无论在理论上还是在实验上都在不断取得重要突破，量子密码术迅速发展，相信在不久的将