量子通信的逻辑（共10篇）
量子通信的逻辑 篇1
0 引言
量子通信、量子信息学是近30年发展起来的新兴交叉学科，是量子力学、通信理论以及计算机科学相结合的产物。自从1984年，Bennett和Brassard提出了著名的量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）的概念及具体的BB84协议以来，量子通信发展非常迅猛。量子通信和量子计算潜在的重要科学价值、应用前景和应用价值受到世界各国的物理领域和信息领域的学术界、企业界和国防部门的高度重视，成为研究的热点，是关乎国家安全的新兴产业。
量子通信不仅可以用于国防、政府等国家保密通信领域，还可用于证卷、保险银行等涉及秘密数据、票据的商业领域。美国、欧盟和日本等国家的政府、国防部门、科技界和信息产业界均投入大量人力物力致力于量子通信的研究和开发工作。在美国，量子信息被列为《保持国家竞争力》计划的重点支持课题；美国的国家标准和技术研究所（National Institute of Standards an Technology,NIST）将量子信息作为三个重点研究方向之一。加州理工大学、麻省理工学院和南加州大学联合成立了量子信息和计算研究所研究量子计算、量子网络等理论和实验。美国全国科学基金会投资5 000万美元对量子通信进行研究。美国白宫和五角大楼的量子通信系统目前已投入使用。在欧洲，针对量子信息处理这一科技重大问题，实行大规模国际合作成立了包括欧盟多国在内的量子信息物理学研究网。日本也将将量子信息列为21世纪国家的战略项目，确定为10年的中长期研究目标和长期研究战略，计划在10～15年内建成高速量子信息通信网。我国中科院已制订了发射量子通信卫星的计划（预计2016年发射），如果实验成功将为建立全球量子通信网络奠定基础。
目前国内外建成了多个量子通信实验网络。比较典型、有影响的主要有下面几个网络：美国国防部高级研究计划局DARPA(Defense Advanced Research Project Agency）在2004年建成了全球第一个实际的量子通信实验网络[1]、欧盟的建立于2008年在维也纳SECOQC(Secure Communication based on Quantum Cryptography）量子网络[2]、日本在2010年建立东京量子通信网络[3]、2009年中国科技大学郭光灿团队建立的量子政务网[4]以及2012年新华社和中国科大合作建设的金融信息量子通信验证网[5]等。这些量子通信网络规模较小，包含的节点数目都不超过50个。大部分基于第二层交换机，主要为空分交换机（也有部分波分交换或复用的交换机），仅仅能够提供为语音电话、传真、文件传输和文本通信的基本业务。目前尚未看到大规模量子通信网络的报道，本文提出一种支持多种业务，提供第三层路由功能以及服务质量保证的量子通信网络的体系构架和路由策略。
1 策略描述
1.1 分布式链路聚合算法
通常量子密钥分发的速率与通信距离的关系如图1所示，R0表示在通信距离为0时的密钥速率，Dmax表示最大通信距离。在0～Ddrop之间，密钥速率呈线性下降，在Ddrop～Dmax之间，密钥速率按照指数规律下降。可看出量子通信的速率随着距离的增加而明显下降。这样由于链路中每一段的距离不同，每一段的密钥速率也不同，受链路中最低密钥速率的影响，很容易产生阻塞，传统量子网络的空分甚至基于纠缠的量子门交换机都存在这个问题。因此设计下面的分布式链路聚合算法。
在链路容量受限，同时有其他链路空闲时，这样可将空闲链路和受限链路聚合在一起，形成一个逻辑上的聚合组，使用链路聚合服务的上层实体把同一聚合组内的多条链路视为一条逻辑链路。采用第三层交换机的路由技术提供由多个链路聚合而成的虚拟链路，保障高优先级业务的质量。例如：在图2所示的网络中，AB之间要建立连接，按照最经典的最短路径优先算法得到链路（1-2）应该是最佳路径，但如果链路2不能提供足够的密钥分发速率，因此可以聚合另一条空闲的能提供足够的密钥分发速率链路（5-8），使整个链路的速率能满足要求。
1.2 分布式业务聚合算法
在大规模的量子通信网络中，可能存在的网络的互连方式包括：无阻塞的量子通信网络和允许一定阻塞率的量子交换机。因为实际使用中，所有用户不是同时通信的，因此并不需要花费高成本构造无阻塞的网络，因此目前的量子通信网络存在一定的阻塞率。量子通信网络中，链路建立后，由于各路由器之间距离的不同，其每段链路的QKD速率不一定相同，传统的量子通信网络采用空分机制，因此每段链路等受链路中密钥分发率最低的链路限制，这样会产生链路资源浪费，在大规模的量子通信网络中，这种浪费将更为显著，因此我们提出将不同的业务聚合在链路中。例如，图3所示的量子通信网络中，在链路（4-5,5-9,9-10,10-11）中，链路（59）的速率最低，这时我们可以利用链路（9-10）在空闲时为其他业务提供一条逻辑链路，这样就可以提高网络总的吞吐量。
1.3 逻辑承载网的实现
对于如图4所示的量子通信网络时，通过链路聚合和业务聚合最终实现的逻辑承载网如图5所示。可以看到，按照最短路径优先算法，A和B间的速率只能达到100 KB/s。而通过链路聚合和业务聚合算法，在不提高量子密钥生成速率的条件下，A和B间的速率可以突破原有100 KB/s的瓶颈，最高可达到150 KB/s；但是由于与C相连的惟一链路的速率是50 KB/s，所以B和C间之间的速率仍是50 KB/s。
2 仿真及结果分析
2.1 仿真参数设置
为了验证提出的网络模型和协议，针对模型如图所示400节点的量子通信网络使用OPNET仿真进行性能验证。仿真参数如表1所示。仿真参数无Key产生的时间，并假定初始Key池为满。
2.2 仿真结果及分析
2.2.1 呼损性能与Key存贮空间的关系仿真
工作的量子终端设备数NR≤4，用户端r U=5 Kb/s,BU=1 MB时，采用链路聚合和业务聚合算法前后呼损性能的仿真结果关系表2所示。仿真结果表明，在业务空闲（eU=0.01 erl）时，互损率都很小，而在业务繁忙时，所提出的方案可有效降低系统互损率，保证系统系能。
2.2.2 呼损性能与Key存贮空间的关系
当eU=0.2 erl，即业务繁忙时，Key存贮空间从1 MB改变到16 MB，采用链路聚合和业务聚合算法前后呼损性能的仿真结果关系表3所示。
仿真结果说明，当Key存贮空间同为1 MB,2 MB和4 MB的情况下，所提出的方案能大幅地降低系统呼损率，特别4 MB，系统呼损率由38.0%降到2%；而在Key存贮空间同为8 MB和16 MB时，仍可有效降低系统呼损率。
3 结语
针对传统的量子通信网络的拓扑结构存在的问题，将传统网络“第三层交换机”的思想引入量子通信网络拓扑结构，打破以原有“空分交换机”和“光路”交换为基础的交换模式，通过“第三层交换机”提供对路由和服务质量的支持。提出第三层交换机中进行链路分配和链路聚合方案，仿真结果说明此方案在保证安全性的同时可以提高瓶颈链路速率，降低系统呼损率，保证了服务质量。
摘要：传统的量子通信网络采用空分机制,受链路中密钥分发率最低的链路限制。在大规模的量子通信网络中,链路资源浪费将更为显著,呼损率也很高。提出一种结合了分布式链路聚合算法和分布式业务聚合算法,可以支持多种业务,提供第三层路由功能以及服务质量保证的量子通信网络的路由策略。基于OPNET对呼损率的进行了仿真验证。结果表明,在保证安全性的同时可以提高瓶颈链路速率,降低系统呼损率,提高了服务质量。
关键词：量子通信网,逻辑承载网,链路聚合,业务聚合
参考文献
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[8]易运晖.单光子量子安全通信技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2013.
通信：量子通信时代到来 篇2
1、近期股价催化剂颇多。
2、量子通信已进入产业化阶段。
量子通信有望成为中国的世界名片。“棱镜门”让通信安全问题上升至国家安全层面，美国、欧洲、日本、韩国等国家均在大力发展量子通信。
我国政府也高度重视，已在合肥、北京、济南等地建立量子通信城域网，标志着我国量子通信在产业化和应用技术研究领域走在世界前列。
我国量子通信产业化阶段开启，产业联盟成立，投资有望达400亿元。目前，量子通信已进入产业化阶段，虽尚处初期，但随着去年底“中国量子通信产业联盟”的成立，阿里、中兴通讯加入，预计量子通信产业化进程将加速，近几年量子通信网络建设将提速，投资约400亿元。
量子通信产业链涉及五大环节，应用场景丰富，市场前景看好。量子通信产业链主要涉及“器件、设备、传输、网络建设/集成、运营服务”五大环节。考虑到产业化尚处初期，将以网络建设为主，前四个环节有望率先受益。未来应用领域将包括政府、军事、国防、电信、金融等。
近期催化剂不断，带来量子通信重大投资机遇。一方面从中央到地方，陆续出台相关政策给予强力推动，包括十三五规划，《长江三角洲城市群发展划》等，未来3年约有20个城市将建量子通信城域网；另一方面，全国范围关键信息基础设施网络安全检查启动，8月我国首颗量子卫星将发射，年底前量子通信“京沪干线”将建成，量子通信即将腾飞。
重点推荐：亨通光电、光迅科技、中天科技、神州信息、中兴通讯、浙江东方。
量子通信的逻辑 篇3
1 Q-M算法移植的可行性分析
Q-M算法通过穷举的方法找出所有可能的1的分组, 然后根据所有情况找出最小的集合并覆盖原有最小项集合。因其化简原理为逻辑相邻项合并, 其对于可逆逻辑同样成立, 故其移植具有可行性。本文将Q-M算法移植到可逆逻辑综合中, 并可继承其已有的优点, 为可逆逻辑综合的发展提供了一种新的思路。
1.1 Q-M算法移植的原理
常规逻辑化简Q-M算法可给出最简SOP (积之和) 表达式, 其是X+X'=1最小化逻辑函数的一种方法, 对于可逆逻辑同样成立, 故从原理上讲其对可逆逻辑同样适用。但因可逆逻辑门便于实现ESOP (积之异或和) 而非SOP表达式, 其输出对于可逆逻辑实现而言并非最简单, 直接使用效果较差。故有必要加以改进, 使之输出便于MCT门级联实现的最简ESOP表达式, 从而提高可逆逻辑设计的胜任规模及优化程度。
本文做过初步研究SOP表达式与ESOP表达式相互转换的规则[7,8], 并据此相应地修改Q-M算法的流程和步骤, 将逻辑函数化简为便于可逆逻辑门实现的ESOP表达式。其基本原理是:因, 所以只要每个“1”方格被覆盖过奇数次且每个“0”方格被覆盖过偶数次, 便可通过将“或”运算符替换为“异或”运算符, 并将Q-M算法输出的SOP表达式直接转换为ESOP表达式。否则, 需将经上述转换的ESOP表达式与公共的“最小项”相异或。据此修改Q-M算法源码, 即可获得最简的ESOP表达式, 再利用MCT门级联予以方便、简洁的实现。该原理如图1所示。
在图1 (a) 中, “101”项被覆盖过2次, 逻辑函数, 结果为封锁项AB'、B'C及两者公共的“最小项”3者相异或;在图1 (b) 中, “101”项被覆盖过3次, 逻辑函数。
步骤5找出逻辑函数的必要质蕴涵项。遍历质蕴涵项, 若该质蕴涵项的标记是在上一步中标记过的, 则该项为必要质蕴涵项。
步骤6按要求输出积之异或和表达式。
1.2 Q-M算法移植的步骤
步骤1将逻辑函数化为最小项之和形式。常规Q-M算法针对输入变量少的小规模电路, 可通过手工将函数表达式展开为最小项之和形式, 处理>6个以上输入变量的问题, 显得繁琐, 故有必要添加源码实现将函数表达式展开为最小项之和, 以便用于较大规模可逆逻辑电路。
步骤2读取真值表中的最小项, 并将其转换为10进制字符串。常规Q-M算法通过手动输入最小项编号, 仅适用于较小规模的电路, 而针对大规模输入变量的逻辑函数表达式, 本文修改源码, 通过读取真值表中的最小项方法, 用以实现合并相邻最小项。
步骤3找出逻辑函数的全部质蕴涵项的一般方法。其流程如图2所示。
步骤4在质蕴涵项中找出逻辑函数的最小覆盖。具体流程如图3所示。
2 可逆全加器设计实例
为验证Q-M算法移植后的实际效果, 采用10变量以内的逻辑函数进行试验, 并根据简化后的逻辑表达式, 设计小、中等规模的可逆逻辑电路。实验程序采用标准C++语言设计实现, 同时用Visual Studio 2010完成编译[9,10]。
2.1 2位可逆全加器的设计
全加器在数字逻辑中应用广泛, 图4是2位全加器的方框图, 其中a1、a0和b1、b0分别是加数和被加数, C0是低位来的进位;S1、S0是和数, C1是向高位的进位。2位加法器在逻辑上可看成是2个全加器的级联, 先实现低位相加, 其输出结果作为高位相加的输入信号, 如图5所示。
首先将2位加法器的真值表作为移植Q-M算法的输入, 经该算法编译、运行处理后, 得到简化的ESOP表达式如下
根据简化的ESOP表达式构造的可逆加法器如图6所示。
2.2 多位可逆全加器的设计
根据模块化的设计原则, 可在低位可逆电路设计的基础上设计出多位全加器。将多位分为高位和低位两部分, 先实现低位相加, 其输出结果作为高位相加的输入信号。通过低位全加器级联得到多位可逆全加器, 如图7所示。
3 结束语
本文根据合并 (化简) 规则, 修改Q-M算法的流程和步骤, 将用于常规逻辑函数化简的Q-M算法加以改进, 应用到可逆逻辑综合中, 并最终通过实例验证了其可行性。本算法可有效缩短化简逻辑函数所用的时间, 减少大规模可逆逻辑电路的代价, 最终实现降低功耗的目的。此外, Q-M算法的移植思路及利用低位可逆加法器实现更复杂的可逆电路系统仍需进一步研究。
摘要：提出了合并 (化简) 规则, 并按合并规则修改了Q-M算法源码, 获得积之异或和表达式, 成功地实现了将不可逆操作转换为可逆操作。该规则应用于常规逻辑综合的Q-M算法移植到可逆逻辑综合中, 以便利用可逆逻辑门来构造可逆逻辑电路。
关键词：合并 (化简) 规则,Q-M算法,积之异或和表达式,可逆逻辑综合
参考文献
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量子通信：领跑世界 篇4
近年来，网络信息安全问题日益加剧了人们的忧虑和关注，传统保密通信技术自身的安全性正面临挑战。量子通信作为能够提供无条件安全性保证的高效信息安全解决方案受到世界各国政府、学术界和产业界的广泛关注。中国在量子通信领域研发起步早，技术积淀较深，目前已走在世界前列。
5月9日，中国科学院院士、中科大常务副校长潘建伟出席“新未来人工智能论坛”时表示，量子通信卫星将按照原定计划在7月份发射。如果此次卫星成功发射，中国将在全球首次实现卫星和地面之间的量子通信，结合地面已有的光纤量子通信网络，将初步构建广域量子通信体系。
美国媒体认为，中国的量子科学实验卫星（QUESS） 并不仅仅是一个科学实验项目，实际上中国已经成为了全球量子通信技术的领先者，量子科学实验卫星将成为把尖端科技转化为中国在全球范围内战略资产的基石。
据潘建伟介绍，2000公里量子保密通信“京沪干线”也将在今年年底建成。3月17日，我国“十三五”规划纲要正式发布，“量子通信与量子计算机”被列入国家科技创新2030重大科技项目，未来5年，我国将着力构建量子通信网络。
量子通信是什么
作为与相对论并列的现代物理学基石，量子论是20世纪最伟大的理论之一，但其神奇之处也让很多人“难以理解”。“量子世界像骰子一样难以预测，迄今还没有谁敢说了解它，任何科学探险都不如量子之旅惊险和神奇。”中科院自然科学史研究所研究员董光璧说。
量子有很多奇妙的特性，比如在量子通信中起着重要作用的“量子纠缠”，曾被爱因斯坦等科学家称作“幽灵般的超距离作用”。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克曾用《格林童话》中《两兄弟》故事打比方：“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎，长得分不清彼此；他们也心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥即刻得知。
目前，量子密钥分发和量子隐形传态都被称为量子通信。量子密钥分发可以建立安全的通信密码，通过一次一密的加密方式实现点对点方式的安全经典通信。
具体做法是用弱相干光源发射光子，因为弱相干光源弱到一定程度，光子是一个一个往外蹦的，以此代替单光子源。把一个信息编码在一个光子上，一个光子有着不同的量子态，代表着0和1，把光子通过光纤发射过去，接收方接到密钥后进行解码。
本质上说，量子密钥分发其实依旧依托于光纤通信，而单光子具有不可分割性是量子密码安全性的物理基础，因而量子密钥分配并非颠覆经典通信，更像是给经典通信增加了一把量子密码锁。
现有的量子密钥分发技术可以实现实验室状态下200公里以上的量子通信，再辅以光开关等技术，还可以实现量子密钥分发网络。目前，开始产业化的是量子密钥分配，而不是量子隐形传态，比如北京到上海的量子通信干线、沪杭量子通信干线、陆家嘴量子通信金融网等都属于量子密钥分配。
量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量（量子纠缠是指两个量子态具有相干性或处于关联状态，量子纠缠态分发是指制备纠缠粒子对，将不同的粒子对发往不同的地方），在经典通信的辅助下实现量子态的空间转移而又不移动量子态的物理载体。
据潘建伟介绍，量子隐形传态技术具备不可分割、不可克隆的特性，可以抵御窃听密钥的分发，确保通过其加密的内容不可破译。2015年，中科大潘建伟团队在世界上首次实现多个自由度的量子隐形传态，成果被评为国际物理学十大突破之首。“如果我们带着一个保险箱去北京开会，而保险箱的钥匙落在合肥，合肥的同事可以通过量子隐形传态将钥匙每一个特征都精确传送到北京，而在此过程中他并不掌握这把钥匙的任何信息。这在经典世界中是不可想象的。”潘建伟说。由于在该领域的杰出贡献，2016年1月，潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”获国家自然科学奖一等奖。
早在1997年，潘建伟团队就在世界上首次实现量子态的传输，也正是他们的探索，促使量子科技更快地应用于通信领域。在新中国成立60周年阅兵、纪念抗战胜利70周年阅兵等关键节点，潘建伟团队构建的量子通信热线均为信息传送提供了重要安全保障。
目前，国内主攻量子通信技术的有潘建伟院士带领的团队和郭光灿院士带领的团队，两个团队在研究量子通信方面呈现你追我赶的架势。中国虽然在量子隐形传态技术上走在世界的前列，但现在仅仅是技术突破，离产业化还比较遥远。而量子密钥分发经过近30年的发展，从理论协议到器件系统初步成熟，目前已有小规模的试点应用和初步产业化趋势。以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段，是量子通信领域理论和应用研究的热点。
应用前景有多广
作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，未来10年内，量子保密通信有望走向大规模应用，在电子政务、电子商务、电子医疗、国防军事、生物特征传输和智能传输系统等各领域大显身手。
专家预言，随着光量子通信技术的不断发展和完善，该技术将被大量应用于武器装备系统之中，使得战场侦察探测、指挥控制、通信网络、武器控制能力得到全面提升。目前，光量子通信研究已成为各军事大国重点发展的战略性高科技，在军事上有着灿烂前景。
除了国防军事领域，商业应用也用不了多久。潘建伟说，在不久的将来，量子通信就能进入千家万户。希望通过十年左右的努力，将来每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为，都能够享受到量子通信的安全保障。
当然，这还需要其在产业化和广域量子通信网络方面实现进一步突破。郭光灿认为，量子通信极强的保密性是基于量子密钥技术而实现的，密钥也是基于量子的特殊性而研发的，而其他通信方面的技术与传统经典通信差异不大。从目前的实际应用来看，将量子通信网络与现有电子通信网络进行融合是最优的发展战略。
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而在构建广域乃至全球范围的量子通信网络体系方面，从各国战略计划看，无论是美国政、企、校联合展开研制的量子互联网，还是欧盟联合12成员国发展的基于量子中继和卫星的自由空间量子通信链路，亦或是日本计划到2040年建成极限容量、无条件安全的量子通信网络，各国誓要抢占量子通信未来制高点的意图已经明朗。
按照计划，2016 年，我国将先于欧美发射全球首颗量子科学实验卫星，2020 年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，2030 年建成全球化量子通信网络。
据量子卫星工程常务副总工程师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所王建宇研究员介绍，量子卫星将装载我国自主研发的星地量子通信设备。它能产生并发送光子，地面系统则负责接收。这种“发球、接球”需要解决超高精度的瞄准、捕获和跟踪难题，仿佛在空间尺度下、在穿越大气层后“针尖对麦芒”。
城域、广域，再到天地一体，是中国科学家的规划目标。业内人士介绍，量子科学实验卫星上天后，可以实现高速星地量子通信，连接地面的城域量子通信网络，初步构建我国广域量子通信体系；“京沪干线”是连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，中间还有合肥、济南等重要节点。其中，2012年建成的合肥城域量子通信网，4 年来运行良好，通信正确率达99.6%，超过目前的移动通信水平。
量子通信应用前景广阔。2月24日，科技部部长万钢在国新办新闻发布会上表示，我国新的科技计划体系将对面向未来的量子通信等方面基础研究进行重点支持。市场人士认为，中国在量子通信技术研究、产业应用方面处于国际领先地位，未来一旦实现更多技术突破，其市场空间将非常广阔。
中国科学技术大学科技传播与科技政策系副教授褚建勋表示，中国政府正在加快打通科技与经济结合的通道，让科技成果为社会服务，跟市场接轨，解放科技生产力，帮助解决社会问题。“在包括量子通信在内的先进科技成果转移转化的过程中，中国新的经济增长点将越来越清晰地呈现出来。”褚建勋说。
产业化应用起步
量子密钥分发保密通信的高安全性所蕴含的战略意义和经济价值备受各国政府、学术界与产业界的重视，近年来试点应用和产业化呈现快速发展趋势。
2003年，美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发实验系统和量子保密通信组网应用。此后，欧美日多国相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等量子保密通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、选举投票保密等方面的应用。2013年，美国独立研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用分段量子密钥分发，结合安全授信节点进行密码中继的方式为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全保障服务。
国内的量子保密通信试点应用起步稍晚但发展迅速。2007年中科大在北京打通了国内首个光纤量子电话，之后相继在北京、济南、安徽芜湖与合肥等地建立了多个城域量子保密通信示范网、金融信息量子保密通信技术验证专线以及关键部门间的量子通信热线。2014年，量子保密通信京沪干线项目通过评审并开始建设，计划建成北京和上海之间，基于安全授信节点密码中继，距离超2000公里的国际首个长距离光纤量子保密通信骨干线路。
量子通信的试点应用催生了一批由科研机构孵化的科技产业实体。其中具有代表性的包括美国MagiQ公司和瑞士IDQ公司等，能够提供初步商用化的量子密钥分发系统器件、终端设备和整体应用解决方案。在国内，中科大在量子通信产业化方面表现突出，其衍生与合作建立了安徽量子通信技术有限公司、安徽问天量子科技股份有限公司和山东量子科学技术研究院有限公司，进行量子保密通信前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化，国家对于量子通信的专项投入和政策扶持为其快速发展注入了强劲动力。
由于安全高效的特性，量子通信在国防、保密、金融等领域有着巨大需求。兴业证券分析师指出，以国防领域为例，量子通信可以应用于通信密钥生成与分发系统，构成作战区域内机动的安全通信网络，能用于改进光网信息传输保密性，由此提高信息保护和信息对抗能力，也能应用于深海安全通信领域，为远洋深海安全通信开辟新途径。
2015年10月，浙江神州量子网络科技有限公司宣布投入1.7亿元，建设“杭沪量子商用干线”。这是国内首条量子通信商用干线，建成后可实现沪杭区域内政府、企业、金融机构等通信数据的加密传输。
在金融领域，工商银行已成功应用量子通信技术实现其北京分行电子档案信息在同城间的加密传输。这也是量子通信技术在国内银行业的首次成功应用。工商银行相关负责人表示，为进一步提升信息安全水平，工行联合中国科学技术大学实施了“量子保密通信京沪干线技术验证及应用示范项目”，同时开展北京、上海同城及京沪异地千公里级量子通信金融应用落地工作。
阿里巴巴旗下阿里云与中科院旗下国盾量子于2015年10月联合发布了量子加密通信产品。这也是量子安全通信产品首次落地公共云领域。中信证券分析师陈剑指出，这标志着“云+量”作为基础设置与服务开始面向更广泛领域进行应用。
作为通信技术的未来演进方向，量子通信业终将进入广域网、城域网等公网市场。据陈剑测算，预计2020年国内量子通信市场规模将达210亿元。其中，专网市场105亿元，公网75亿元，其他领域30亿元；预计2020年国内量子通信设备领域市场规模为30亿元，建设运维领域规模为30亿元，运营市场规模将达150亿元。
诱人的市场前景吸引了众多参与者，量子通信产业链生态正在逐渐形成。以三力士为例，公司拟出资6000万元，设立山西三力士量子通信网络有限公司，推动量子保密通信网、云计算等战略新兴产业的落地和产业化。
2015年7月，中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室宣布成立。该实验室结合阿里巴巴在计算算法、架构和云计算方面的技术优势，以及中科院在量子计算和模拟、量子人工智能等方面的优势，探索下一代超快计算技术。
此外，中科院牵头，联合中科大、科大国盾量子技术股份有限公司、阿里巴巴（中国）有限公司、中国铁路网络有限公司、中兴通讯股份有限公司、北方信息技术研究所等单位发起成立了中国量子通信产业联盟。
陈剑指出，量子通信产业链主要包括元器件、设备、建设运维、运营应用四个环节。其中，元器件方面大部分与传统通信所使用的没有太大的差异。但核心器件，如单光子探测器仍主要依赖进口，近距离设备国产可大致代替进口，而长距离设备需要一年或更长时间实现进口替代。
中游核心设备包括量子网关和量子交换机，国内的科大国盾掌握了部分核心技术；问天量子等机构也在参与其中，研发量子通信核心设备，推动产业发展。
随着更多城际干线启动，将引入更多商业化运作，带动量子通信网络建设和运营需求。这需要在现有光通信网络中添加相关设备，开辟单独的通道以确保信号稳定性等。这些工作通常由网络建设和系统集成商承担。
陈剑认为，随着以量子加密为代表的量子通信技术日趋成熟，行业将进入高速发展期，从发展进程、技术门槛以及未来潜力等角度看，当前网络运营应用与核心设备最具投资价值。
量子通信的逻辑 篇5
上个世纪30年代, 这项技术所应用的“量子纠缠”效应曾被爱因斯坦称作幽灵般的超距离作用, 直至今天, 某些报道中也出现过这样的描述, 称要实现文本、语言或者图像的传输, 只须通过该“幽灵通信”就能瞬间实现传递 (超光速通信) 。那么, 量子通信是否真如众人所说的神乎奇乎, 它能否掀起一场新的信息安全技术革命浪潮, 又或者仅仅是出现在科研书上的几个高大上的概念性文字?本文将对其详细讲述。
全球量子热
何为量子神技
科技界与产业界被云计算、大数据等热词刷屏多时, 今天终于迎来了一种更为高精尖的技术——量子通信。
通过查阅相关资料发现, 量子通信发展至今已有些历史, 可为什么在国内到当前才被争相热议?这还得追溯到年初评选的2014年中国十大科技进展, 中国科学技术大学潘建伟院士团队的“量子通信安全传输创世界纪录”成功上榜。随后不久, 中国工商银行成功应用量子通信技术, 实现了该行北京分行电子档案信息在同城间的加密传输。中国的量子通信技术创世界之最, 并且在银行业首次得到成功应用, 这两场重头戏, 彻底地打响和提高了量子通信在公众面前的知名度与活跃度。
那么, 岁末年初闯出来的这只“黑马”究竟是什么来头?引用国际顶级量子专家王肇中教授的话, 量子通信就是单模光纤两端加上能代替常用光模块功能的、光量子态的发送和接收设备, 实现基于物理加密的保密通信。
传统的保密通信分为加密、接收、解密3个过程, 量子保密通信的过程与之相同, 只不过加密与解密的密钥改用微观粒子携带的量子态信息。简单地说, 微观世界里, 有共同来源的两个微观粒子之间存在纠缠关系, 若一方状态发生改变, 另一方的状态也会相应作出变化, 而这种相互感应的关系不受双方空间距离的限制。正是这幽灵般的相互作用, 为信息社会的安全通信带来了福音。
一直以来, 保密通信始终是非常重要的科研领域, 且历史悠久。古人的信件常以火漆封口, 一旦拆封便会留下泄密痕迹, 运用于量子通信系统中的量子密码同样有此神技, 因此, 量子通信堪称不可破译的通信方式。基于量子不可克隆的原理, 任何干扰量子密码的操作都会改变量子的状态, 有人即使截获了量子密码, 得到的终究是毫无意义的信息, 同时, 信息的合法接收者也能从量子状态的改变中得知该密码曾被截获。目前, 在量子通信的两种方式中, 量子密码通信应用最为成熟, 另一种方式称为量子隐性传送。
全球竞技热
量子密码通信真正闯入科学研究领域是在1984年。这一年, IBM华生实验室工程师本奈特和布拉萨德提出了全新的通信协议。由于量子通信在多领域潜在的应用价值和发展前景, 此后便掀起了国际量子通信的竞技狂潮。
美国是最早将量子通信纳入国家战略、国防和安全研发计划的国家, 世界第一个量子密码通信网络正是由美国投入运行, 它位于马萨诸塞州的剑桥城, 网络传输距离约为10千米。目前, 一套辐射美国主要城市、总长超过1万千米的环美量子通信网络正在悄悄酝酿。
日本将量子通信技术作为国家级高技术列入开发计划始于2000年。与其他国家不同的是, 各大电子工业巨头的加入带来了持续不断的更加稳定的光源和更为紧密的探测器, 为日本量子通信技术迈向实用化, 以及实用化后的运用水平贡献良多。
“欧洲量子科学技术”计划和“欧洲量子信息处理与通信”计划, 是欧盟在欧洲核子中心和航天技术采取国际合作后的又一大规模国际合作。此外, 还专门成立了包括英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理学研究网。种种推进, 足以窥见欧盟在发展量子通信方面的宏图战略。
中国跻身第一方阵
基础研究势如破竹
鉴于量子通信仅有30年的发展历史, 且中国涉足量子通信领域的研究时间与发达国家相差无几, 因此, 在这个高精尖的科技领域, 中国没有特别沉重的历史包袱。在国际化的竞争中, 中国在应用研究的多个方面势如破竹, 其中, 城域量子通信的关键技术已达世界先进水平, 与欧美发达国家旗鼓相当。
中国能有如此高的成就, 离不开科研专家以及高校、科技企业的协同合作, 在这里不得不提的是华人顶级量子通信专家潘建伟教授及其科研团队。
早在上世纪90年代, 在国外留学的潘建伟教授便开始投入量子通信的研究中。当时在奥地利进行的“量子态的隐性传输”试验, 堪称国际上的首次实现。在过去的十余年间, 他带领自己的研究团队, 屡次在量子通信领域获得突破性进展。其一, 在光子纠缠态的制备与操纵上连续刷新了世界纪录, 在8年的时间里分别实现了五光子、六光子以及八光子多光子纠缠态的操作, 与欧美发达国家的研发水平拉开了一段距离;其二, 扫除了量子通信中的一大绊脚石, 完成了广域量子通信网络和全球网络亟须解决的“量子中继器”的实现与操作;其三, 验证并实现了一次又一次的长距离量级的自由空间量子隐形传态和双向纠缠分发, 为基于卫星的广域量子通信以及大尺度量子计算、量子信息技术应用与实施奠定了坚实基础。
应用研究并行
量子通信绝非仅仅是概念上的创新。随着信息技术手段的不断升级, 保密措施也变得愈加复杂, 特别是在国家大力推行信息安全战略的背景下, 凭借着保密性强这一绝对优势, 并在信息传输容量、传输速度等方面有着革命性的突破, 如今的量子通信已在若干方向实现了初步的实用化。
在军事、国防等国家级保密通信方面, 中国已在世界各国面前作出表率。建国60周年国庆阅兵期间, 在通信量不少于一场战役的大阅兵的关键时期, 量子保密通信热线出色地完成了通信保障任务, 使中国一跃成为首个将这种技术实用化的国家。
近日, 中国工商银行将量子通信技术应用于电子档案信息在同城间的加密传输, 实现了该技术在国内银行业的首次应用, 这再一次证明量子通信在多元领域的应用价值。
人人皆知, 银行乃金融命脉。在信息化时代, 随着金融市场的日趋成熟, 各项业务不断推陈出新, 整个园区的网络安全承载了该银行系统的稳步运营, 而信息也成为极其重要的商品。因此, 如何有效地保护信息安全、管理和维护银行系统安全, 也成为银行业网络建设时需要解决的主要问题。出于灾备的需求, 目前银行业在内的高端用户多采用“两地三中心”的建设方案, 未来量子通信能否在这方面作出技术性的革新, 非常值得期待。
按照预定的研发和推广计划, 我国正在逐步构建量子通信全国架构的局面。针对信息安全要求较高的政府、金融、医疗等用户, “合肥城域量子通信试验示范网”已于2012年完成, 网络覆盖合肥主要城区, 连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频用户”;而在2014年投入使用的“济南量子通信试验网”, 则面对用户的日常需求, 实现安全的文件传输和视频、语音通信;同年, 世界第一条量子信息保密干线——“京沪干线”量子通信工程也紧锣密鼓地开工建设, 预计两年后交付。
研究与应用并行, 可见在量子通信领域, 中国绝非坐谈之客。
量子通信前景瞻观
“神坛”模式有争议
对传统的通信而言, 实现信息的传输是其基本目的, 如当下流行的文件、视频和语音等经典通信形式。而当前量子通信在全球的应用研究, 主要还是传输密钥的方式, 该应用现象导致业内人士对量子通信开启的“神坛”模式有所争议。
他们提出的疑义是, 回顾国内已建成使用的合肥、济南量子通信试验网, 仅仅是对量子密钥分发的实现, 即便是中国即将发射的量子通信试验卫星, 也只是通过量子态解决保密问题, 而非传输大容量数据。因此, 称为“量子通信”实属勉强。
对此潘建伟给出了一个国际上的解释, 量子隐形传态、量子纠缠交换和量子密钥分发等若干技术统称为量子通信。很明显, 这种定义趋向广义, 认为量子通信是通过量子态来传递信息, 无论是经典信息亦或是量子信息。他认为, 基于现有技术水平的限制, 目前量子通信的技术优势的确是主要体现在安全性方面, 而大容量传输的实现与提高, 今后有可能借由容错编码、密集编码等技术研究来实现突破。
另外, 出于隔空取物的神往, 部分人相信, 有了量子通信技术的辅助, 就能实现文件等信息的瞬间传递, 即前文所提的“超光速通信”。这种观点遭到了北京计算科学研究中心量子光学与量子信息实验室游建强教授的否定, “完全通过量子纠缠, 不可能传递所有的信号, 纠缠是一个物理现象, 不可能加载全部的信息。”他认为, 这在科学上是不准确的。
虽然理论上量子通信并没有传输介质的限制, 但在现实运用中, 无论是哪种量子传输方式, 都需要传统的通信技术的参与。显然, 这一辟谣同时也说明了, 量子通信实际上是量子网络与传统通信的相结合, 不可能存在完全替代传统通信技术一说。
中国的路径选择
目前, 欧美主要国家都投入重金用于量子通信的研发应用, 可以说, 纵然长路漫漫, 但谁获得先机, 谁就掌握了发展的主动权。而在这场长跑竞赛中, 回首过去, 从研发的硕果累累中可以看到, 中国始终位列第一方阵;展望未来, 中国在量子通信领域又将如何选择?
一般情况下, 对一件新产品的考验, 无非就是技术和市场两项因素, 量子通信也不例外。从技术的角度分析, 摆在眼前有3个技术瓶颈, 分别是单光子源、量子中继器以及量子存储。基于现有技术的限制, 由于找不到理想的单光子光源和完美的量子中继器, 潘建伟团队研发了基于光线诱骗态实现量子密钥分发, 而实现远程量子通信亟须的量子中继器则可以用卫星代替。
然而, 没有产业化作支撑, 技术的实现也将是无源之水。走出实验室并走向市场, 这是各国都在努力的方向。国内的量子通信技术水平已达国际领先水平, 下一步便是要着重于定位的问题。部分专家认为, 量子通信是现有传统通信的互补, 两者融合是一个取长补短的过程, 因此, 它应该有不同于传统通信的发展路径, 量子通信应专注于重点领域的发展需求, 而非现有网络广撒网的性质。
基于量子理论的保密通信研究 篇6
随着信息技术和信息产业的迅速发展, 信息的安全性是信息社会最基本的保障, 对信息安全的研究得到了空前的关注。信息安全研究可分为几个方面:密码理论和技术、安全协议理论和技术、安全体系结构理论和技术、信息对抗理论和技术、网络安全和安全产品, 其中密码理论和技术是信息安全研究的核心和基础。
密码理论和技术是对信息进行编码实现隐藏信息的一门学问。传统的加密系统, 密文的安全性完全依赖于密钥的保密性。密钥必须是由足够长的随机二进制串组成, 一旦密钥建立起来, 通过密钥编码而成的密文就可以在公开信道上进行传送。然而为了建立密钥, 发送方与接收方必须选择一条安全可靠的通信信道, 但由于窃听者的存在, 从技术上来说真正的安全很难保证, 而且密钥的分发总是会在合法使用者无从察觉的情况下被消极监听。
因此, 网络信息安全领域急需开发更安全、方便及有效的信息保护手段。量子密码通信是量子力学和经典密码学的结合, 它利用了单光子固有的量子随机性实现具有无条件安全性的保密通信技术。它可完成仅仅由传统数学无法完成的完善保密系统, 引起了国际密码学界和物理学界及通信领域的高度重视, 各国研究人员开始开展研究并取得了巨大成功。
1 经典保密通信
经典保密通信原理如图1所示。
其中, Alice为发信者, Bob为接收者, Eve为窃听者。Alice发出的情报信息为可读的明文M, 明文经过加密后成为不可读的密文C, 加密的过程就是进行数据变换的过程即C=GK (M) , 密文在信道上传输, 到达合法接收者Bob后进行解密, 恢复原来的明文, 解密的过程就是对密文C进行数据逆变换的过程, M=GK’ (C) 。
具体操作时使用密码将明文变为密文, 称之为加密, 这个密码称为密钥Key;完成加密的规则称为加密算法。加密和解密算法的操作通常在一组密钥控制下进行的, 密钥是密码体制安全保密的关键。
密码体制分为单钥体制和双钥体制。
单钥体制的加密密码和解密密码相同。其保密性主要取决于密码的安全性, 一个重要的问题是如何将密钥安全可靠地分配给通信对方。恶意的第三方Eve可能在密钥分配时通过各种办法窃听 (如搭线窃听、电磁窃听、声音窃听等) , 然后用截获的密钥来解密传送的机密信息。传统的物理信道当有人监测窃听时, 通信双方不会知道窃听在何时发生。例如, 信使所带密码本可能被秘密设置的高分辨率X射线扫描;或用先进的成像技术读出, 磁带、光盘或无线电波中载荷的信息被复制或截获时都难以被发现。现代信息系统还可能遭受另一类攻击, 即非法入侵者、攻击者或黑客主动向系统窜扰, 采用删除、增添、重放、伪造等窜改手段向系统注入假消息, 达到利己害人的目的。
双钥密码体制的最大特点是采用两个密钥将加密和解密分开, 一个公开作加密密钥, 一个为用户专用, 作为解密密钥。公钥密码的安全性的关键在于仅利用公钥进行解密极其困难。目前最广泛采用的公钥密码体制—RSA密码体制的安全性是建立在用经典计算机分解因数非常困难的这个信念之上。在数学理论上虽然没有严格证明这种密钥不可破解, 但现有的经典计算机几乎无法完成这种计算。然而Shannon量子算法证明, 采用量子计算机可以轻而易举地破译这种密钥体系, 使现有的公开密钥体系无密可保。
目前被证明绝对安全的密钥体系是1926年Vernam提出的“一次一密乱码本” (one time pad) , 其保密性直到1949年才被Shannon证明。特点是要求密钥K和明文M一样长, 且密钥K的使用是随机的, 这要求通信双方必须共享庞大的密钥群, 并能够迅速方便地分配管理密钥, 这在实际通信中是很难做到的, 因此这一加密体系未能得以广泛应用。
现代密码学认为, 任何加密体系的加密解密算法都是可以公开的, 其安全性在于密钥的保密性。实际上, 由于存在被动窃听的可能性, 如果通信双方完全在经典信道上传输信息, 则在双方之间建立保密的密钥是不可能的。然而, 量子力学的介入彻底改变了这一状况。
2 量子保密通信
与传统密码对数据直接进行加密处理不同, 量子密码的理论基础是量子力学。首先想到将量子物理用于密码技术的是美国科学家威斯纳。威斯纳在“海森堡测不准原理”和“单量子不可复制定理”的基础上建立了量子密码的概念。“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理, 指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的, 只能精确测定两者之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的推论, 它是指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的, 因为要复制单个量子就只能先作测量, 测量这一量子系统会对该系统产生干扰并且会产生出关于该系统测量前状态的不完整信息。因此, 窃听一个量子通信信道就会产生不可避免的干扰, 合法的通信双方则可由此而察觉到有人在窃听。量子密码术利用这一原理, 使从未见过面且事先没有共享秘密信息的通信双方建立通信密钥, 然后再采用Shannon已证明的是完善保密的一次一密钥密码通信, 即可确保双方的秘密不泄露。
量子密码通信不是用来传送密文或明文, 而是用来建立和传送密钥, 因此通信依赖于量子密钥分配协议。
2.1 量子密钥分配原理
量子密钥分配原理来源于光子偏振的原理:光子在传播时, 不断地振动。光子振动的方向是任意的, 可能沿水平方向振动, 也可能沿垂直方向, 更多的是沿某一倾斜的方向振动。如果一大批光子以沿同样的方向振动则称为偏振光。反之, 沿各种不同的方向振动的光称为非偏振光。通常生活中的光, 如日光、照明灯光等都是非偏振光。偏振滤光器 (偏振片) 只允许沿特定方向的偏振的光子通过, 并吸收其余的光子。这是因为经过偏振滤光器时, 每个光子都有突然改变偏振方向, 并使偏振方向与偏振滤光器的倾斜方向一致的可能性。
设光子的偏振方向与偏振滤光器的倾斜方向的夹角为α, 当α很小时, 光子改变偏振方向并通过偏振滤光器的概率大, 否则就小。特别是当α=90°, 其概率为0, α=45°时, 其概率为0.5;α=0, 其概率为1。可以在任意基上测量极化强度, 直角的两个方向。一个基的例子就是直线:水平线和直线;另一个就是对角线:左对角线和右对角线。如果一个光子脉冲在一个给定的基上被极化, 而且又在同一个基上测量, 就能够得到极化强度。如果在一个错误的基上测量极化强度的话, 将得到随机结果。
因此, 可以使用这个特性来产生密钥。量子密钥分配原理就是基于这一原理的。一旦建立了密钥, 通信双方就可以安全的传输信息而不会泄露信息的内容。
近几年来, 关于量子密钥的分配方案也有很多。如BB84方案, B92方案, Ekert等人提出的一种以EPR纠缠为基础但密钥双方选择不同的测量基的分配方案等。
2.2 量子密钥分配协议
量子密钥分配协议BB84协议是1984年由Charles Bennett和Gilles Brassard共同提出的量子密码协议。它可以抵抗任何破译技术和计算工具的袭击, 原因在于它的保密性由物理定律来保证。
采用4个非正交态作为量子信息态, 这4个态分属于2组共轭基, 每组基内的2个态是相互正交的。2组基互为共轭是指一组基中的任一基矢在另一组基中的任何基矢上的投影都相等。因此, 对于某一基的基矢量子态, 以另一组共轭基对其进行测量会消除它测量前具有的全部信息而使结果完全随机, 即测量一组基中的量将会对另一组基中的量产生干扰。光子的线偏振量和圆偏振量就是互为共轭的量。不论是用左旋圆还是右旋圆偏振基测量线偏振光子, 都是各以一半的几率得到左旋或右旋圆偏振态。反之亦然。
现在假定通信双方Alice与Bob约定用这两种偏振基中的4种偏振态来实现量子密钥分配。量子密钥的产生大致分为以下5个步骤:
(1) Alice随机地选择右旋、左旋、水平或垂直4种中任一种偏振态的光子并发送给Bob;
(2) Bob随机地独立选择线偏振基或圆偏振基测量该光子的偏振态;
(3) Bob实际所测到的偏振方向;
(4) Bob公布检测到态时所采用的测量基, 但不公布测量到哪个偏振态, Alice告诉Bob哪些测量基是正确的并保留下来, 其余的丢弃掉。
(5) Alice和Bob仅保留相同基时的态, 并按约定的规则转化为二进制序列 (如左旋圆偏振态和水平线偏振态代表比特“0”, 右旋圆偏振态和垂直线偏振态代表比特“1”) , 最后得到Alice与Bob的共同密钥。
2.3 量子保密通信过程
量子密码通信实际是一个密钥分发 (Q u a n t u m k e y Distribution) 的过程。其安全性依赖于量子力学中的Heisenberg不确定原理、量子不可克隆定理和量子的不可分割性, 这使得窃听者Eve的任何获取信息的操作都会因破坏量子态而被发现。而且, 密码通信中使用的密钥是一次性便笺密钥。这种密钥加密的密码已在数学上证明是不可破译的 (1916年, G.Vernam) , 这也是迄今为止惟一被证明不可破译的密码。
BB84协议中, 量子通信实际上由两个阶段共同完成的。第一阶段在量子通道 (Quantum Channel) 进行量子密码的通信;第二阶段在经典通道 (Classical Channel) 进行密码的协商, 检测窃听者Eve是否存在, 确定密码的内容, 最终完成量子通信。量子保密通信过程如下:
(1) 量子传输
不同量子密码协议有不同的量子传输方式, 但它们的共同点是利用量子力学原理 (如海森堡测不准原理) 。量子密码通信中, Alice在量子信道中随机选取单光子脉冲的光子极化态和基矢, 将其发送给Bob, Bob再随机选择基矢进行测量, 测到的比特串记为密码本。但由于噪声和Eve的存在而使接受信息受到影响, 特别是Eve可能采取各种方法对Bob进行干扰和监听, 如量子拷贝, 截取转发等, 但根据测不准原理, 窃听者的干扰必将导致量子信道中光子极化态的改变而影响Bob的测量结果, 由此可以对窃听者的行为进行判定和检测。
(2) 数据筛选
在量子传输中由于噪声和Eve的存在, 将使光子态序列中光子的偏振态发生变化。另外, 实际系统中收信者Bob的检测仪也不可能百分之百正确地记录测量结果, 所以A1ice和Bob比较测量基后会放弃所有在传送过程中没有收到、测量失误或由于各种因素的影响而不合要求的测量基。然后由他们公开随机地选择一些数据进行比较, 再丢弃, 计算出错误率, 若错误率超过一定的阈值, 考虑窃听者的存在。A1ice和Bob放弃所有的数据并重新传光子序列, 若是可以接受的结果, 则A1ice和Bob将剩下的数据保存下来, 所获得数据称为筛选数据。假设量子传输中A1ice传给Bob的量子比特 (Qubit) 为m bit, 筛选掉m-n bit, 则得到的原数据为n bit。在这个过程中可以检测出明显的Eve的存在。
(3) 数据纠错
由于各种可能的因素, 所得到的筛选数据并不能保证A1ice和Bob数据的完全一致性, 解决办法是对原数据进行纠错。对数据纠错, 研究人员提出了几种方法, 比较好的方法是采用奇偶校验。
(4) 保密加强
这是为了进一步提高所得密钥的安全性和保密性而采取的措施, 是一种非量子方法。
Alice和Bob通过复杂的技术处理进行保密加强, 从而使窃听者Eve获得的有用信息尽可能地少以加强传输信息的安全性。
(5) 身份认证
以上是假定收发双方都是合法的, 而在实际的通信过程可能会出现A1ice或Bob是假冒的情况, 因此加入身份认证这一非量子过程非常重要, 这可以从量子密钥中获取认证密钥而实现。将以上过程所得到的密钥称为原密钥 (Raw Key) Rk, 把Rk分成三个部分:Rk=Ka+Kb+K, 其中Ka, Kb用于身份确认。具体过程如下:A1ice秘密地中选取Ka, 发送给Bob, 同时Bob秘密地选取Kb并发送给A1ice, 然后A1ice和Bob分别以Kb, Ka利用单向哈希函数获得各自的秘密密钥, 最后A1ice和Bob利用双钥认证体制实现身份确认。
量子保密通信的最大特点是通信双方进行通信的同时检验内容的合法有效性。如果通信内容的错误率超过一定阈值, 就放弃此次通信内容, 重新进行通信。
3 发展前景与展望
在量子密码通信研究上进展最快的国家为英国、瑞士和美国, 我国的研究也有新进展。国际上首个量子密码通信网络日前由中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惟一无中转、可同时、任意互通的量子密码通信网络, 这标志着量子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出了关键一步。
目前, 阻碍量子密码术走向实用还存在一些技术问题:首先, 制造出高效的单光子源比较困难;其次, 工作在所需波长上高效的单光子探测器还未成熟;第三, 要防止窃听者假扮合法通信者非法获取通信信息, 必须结合一些经典技术如保密加强纠错及认证技术等, 这在一定程度上减弱了量子密码术在技术上的优势;第四, 量子密码系统即使没有窃听者窃听的情况下, 由于系统自身的不稳定性使通信的质量受到影响;最后, 阻碍量子密码术走向实用很重要的非技术问题则是经济问题, 因为量子通信技术必须与传统的通信技术竞争以获得市场, 而这传统方法在长距离上以及成本费用上更低, 从而使量子密码通信技术处于不利地位。
但从总的发展趋势看, 经典保密通信的成本是逐年提高, 而量子密码通信正随量子密码技术的发展其成本在降低。随着单光子探测等技术的不断发展, 量子密码通信技术全光网络和卫星通信等领域的应用潜力会不断挖掘并成为现实。当量子计算机成为现实时, 经典密码体制将无安全可言, 对付拥有量子计算能力的密码破译者, 量子密码技术将成为保护数据安全的最佳选择之一。
参考文献
[1] Wiesner S.Conjugate coding[J]. Sigact News.1983.
量子通信技术的原理和进展 篇7
量子通信是量子信息技术的主要组成部分, 它具有绝对保密, 通信容量大, 传输速度快等优点, 可以完成经典通信所不能完成的特殊任务。量子通信可以利用无法破译的秘钥系统, 实现真正意义上的保密通信, 因此量子通信成为当今世界关注的科技前沿。量子通信是以量子态作为信息元实现对信息的有效传送。它是继电话和光通信之后通信史上的又一次革命。
二、量子通信的主要组成部分
2.1量子秘钥分发
量子秘钥分发不是用于传送保密内容, 而是在于建立和传输密码本, 即在保密通信双方分配秘钥, 俗称量子密码通信[1]。
1984年, 美国的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84协议, 即用量子比特作为信息载体, 利用光的偏振特性对量子态进行编码, 实现对秘钥的产生和安全分发。1992年, Bennett提出了基于两个非正交量子态, 流程简单, 效率折半的B92协议。这两种量子秘钥分发方案都是建立在一组或多组正交及非正交的单量子态上。1991年, 英国的Ekert提出了基于两粒子最大纠缠态, 即EPR对的E91方案。
1998年, 又有人提出了在三组共轭基上进行偏振选择的六态方案量子通信, 它是由BB84协议中的四种偏振态和左右旋组成。BB84协议被证明是迄今为止无人攻破的安全秘钥分发方式, 量子测不准原理和量子不可克隆原理, 保证了它的无条件安全性。EPR协议具有重要的理论价值, 它将量子纠缠态与量子保密通信联系起来, 为量子保密通信开辟了新途径。
2.2量子隐形传态
1993年由Bennett等6国科学家提出的量子隐形传态理论是一种纯量子传输方式, 利用两粒子最大纠缠态建立信道来传送未知量子态, 隐形传态的成功率必定会达到100%[2]。
199年, 奥地利的A.Zeilinger小组在室内首次完成量子隐形态传输的原理性实验验证。在不少影片中常出现如此的情节:一个在某处突然消失的神秘人物突然出现在另一处。由于量子隐形传态违背了量子力学中的量子不可克隆原理和海森堡不确定原理, 因此它在经典通信中只不过是一种科幻而已。
然而量子通信中引入了量子纠缠这一特殊概念, 将原物未知量子态信息分成量子信息和经典信息两部分, 使得这种不可思议的奇迹得以发生, 量子信息是在测量过程未提取的信息, 经典信息是对原物进行某种测量。
三、量子通信的进展
从1994年开始, 量子通信已经逐步进入实验阶段, 并向实用化目标迈进, 具有巨大的开发价值和经济效益。1997年, 中国青年科学家潘建伟与荷兰科学家波密斯特等人试验并实现了未知量子态的远程传输。
2004年4月Lorunser等利用量子纠缠分发第一次实现1.45KM的银行间数据传输, 标志着量子通信从实验室走向应用阶段。目前量子通信技术已经引起各国政府、产业界和学术界的高度重视。一些国际著名公司也积极发展量子信息的商业化, 如英国电话电报公司, 美国的Bell、IBM、AT&T等实验室, 日本的东芝公司, 德国的西门子公司等。2008年, 欧盟“基于量子密码的全球保密通信网络开发项目”组建的7节点保密通信演示验证网络试运行成功。
2010年, 美国《时代周刊》在“爆炸性新闻”专栏中以“中国量子科学的飞跃”为题报道了中国在16公里量子隐形传输的实验成功, 标志中国有能力建立地面与卫星间的量子通信网络[3]。2010年, 日本国家情报通信研究机构联合三菱电机和NEC, 以及瑞士ID Quantique公司、东芝欧洲有限公司和奥地利的All Vienna公司在东京成立了六节点城域量子通信网络“Tokyo QKD Network”。该网络集中了目前日本及欧洲在量子通信技术上发展水平最高的研究机构和公司的最新研究成果。
四、量子通信展望
量子通信是通讯技术具有划时代意义的伟大进步, 它与传统的通信技术相比, 在安全性, 信道容量, 传输距离等方面都突破了经典技术的极限。量子通信必将改变未来信息产业的格局。
目前, 其理论框架已基本成型, 理论体系正日趋完善。有科学家预言, 全球化的量子通信有望在十年内实现。
摘要：量子通信是经典通信与量子力学交叉结合所形成的一门新兴学科。本文概括了量子通信的基本概念及其主要技术量子秘钥分发和量子隐形传态的基本原理。同时介绍了量子通信在世界范围内的研究进展和发展前景。
关键词：量子通信,量子秘钥分发,量子隐形传态
参考文献
[1]何燕玲, 王川, 焦荣珍等.量子通信原理及进展概述.[J]中国电子科学研究院学报.2012, 7 (5) :466-471.
[2]苏晓琴, 郭光灿.两种典型的量子通信技术.[J]广西大学学报.2005, 30 (1) :30-38.
量子通信的逻辑 篇8
关键词：通信,量子,纠缠态,噪声,单激发
一、引言
量子通信是指利用量子纠缠进行信息传递的一种新型的通信方式, 由于所传输的信息的类别可以分为量子隐形传输、量子密钥传输和量子纠缠的分配[1]。量子通信系统是面向未来的全新通信技术, 在高效性、安全性上具有经典通信无法比拟的优势。近年来光纤量子通道传输技术的出现将量子通信推向了实用化[2]。在信息学上, 量子通信是利用量子力学的基本原理或量子态隐形传输等量子系统特有属性, 以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递[3]。量子通信的基础是在两个相距一定距离的点之间产生量子纠缠态。由于通道噪声、纠缠度会随着通道的长度而降低, 现有量子通信的诸多方案都只能局限于在几十公里的距离内操作[4]。对于一个实际通信系统, 它总是与周围的环境相互耦合, 这就使量子通信系统的纠缠会因为噪声的作用而不可避免的丢失。通过前后测量可以有效的提高量子态的纠缠。在本文中, 我们研究了在考虑系统与环境初始关联的情况下, 利用前后测量来提高量子态的纠缠, 以抵抗环境噪声的影响。
二、具体方案
我们考虑整个系统单激发的情况。存在系统-环境量子关联的初态为
其中
上式中, 角标A、B分别代表两个量子比特, 角标E代表环境, 表示赝模有n个激发。
为了操控量子比特的纠缠抵抗环境噪声的影响, 我们在开始阶段, 对两量子比特态施加一个定域的前测量, 其形式为
其中, Pj (j=A, B) 代表对量子比特j的前测量强度。
经过前测量之后, 量子态演化为:
然后两量子比特经过一个噪声通道, 这一过程可以由赝模方法精确解出。赝模主方程为:
其中
代表包含了量子比特与赝模的总系统的密度矩阵, a (a+) 是赝模的湮灭 (产生) 算符, г是赝模衰减率, Ω代表耦合强度。通过对赝模主方程进行求解, 再求迹掉赝模的自由度, 我们就可以得到两个量子比特系统在噪声环境下的演化动力学。
在经历噪声通道后, 我们对两量子比特态施加一个定域的后测量
其中, 是对量子比特j的后测量强度。
最后, 我们利用形成纠缠度来度量两量子比特系统的纠缠。对于简单的两个二能级系统, Wootters已经给出了系统形成纠缠度的解析求解方法。
三、结果分析与讨论
结果显示, 纠缠度成振荡趋势, 这是由于两个量子比特们与一个共同库相互作用, 这一方面会使量子比特之间产生纠缠, 在另一方面, 由于环境噪声的影响, 产生的纠缠会呈现振荡衰减, 最终消失的情况。如果不施加任何操作, 纠缠度是最小的, 此时的量子态是最不抗环境噪声的。如果我们仅施加前测量, 纠缠度将有所提升。同样的, 如果我们仅施加后测量, 纠缠度会提升的更多。但上述情况下的纠缠度大小仍比同时施加前后测量要小。概括说来, 同时采用前后测量可以提高纠缠, 并减慢纠缠随时间的衰减。
四、总结
本文考虑了两个量子比特与一个共同的环境相互作用, 并且存在初始系统-环境关联。通过在经历噪声通道的前后分别施加定域的前后测量, 能够使两个量子比特之间产生更多的纠缠, 抵抗环境噪声的影响。进一步就可利用量子纠缠态来建立量子信道, 提高量子通信效率。
参考文献
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量子通信：中国“弯道超车” 篇9
2016年8月16日凌晨，人类历史上第一颗用于量子通信研究的“墨子号”量子科学实验卫星，在中国酒泉卫星发射中心发射升空，该卫星将配合多个地面站实施星地量子密钥分发、星地量子纠缠分发和地星量子远程传态等量子通信领域的实验。
除了基础科学前沿领域的突破性进展，它也是人类尝试通过地面站与地面光纤量子通信网络链接，为未来覆盖全球的天地一体化量子通信网络积累技术基础。
此外，由中国科学技术大学承建、2013年国家批准立项、我国量子通信领域另一重大工程——“京沪干线”，按计划也有望于2016年年底建成。该干线连接北京和上海，全长2000余公里，是世界首条量子保密通信主干网，将大幅提高我国军事、政务、银行和金融系统的安全性。
量子通信的“特异功能”在于“一次一密”，一旦通信被窃听通信双方都能立刻发现。
“墨子号”和“京沪干线”两大工程的实施，不但扩大了我国在量子通信领域世界领先的优势，还将有力提速量子通信的产业化进程。按中国科技大学常务副校长、中国科学院院士潘建伟的预测，也许在15年之后，每个人都可以用上无条件安全的量子手机。
可以说，量子通信正展现出前所未有的前景和机遇。
童话与现实
“我们想用名字提醒大家，中国人也可以做很好的科学。从前有，现在有，将来会有更多。”作为量子通信卫星首席科学家，潘建伟如是介绍“墨子号”名称的由来。
8月16日“墨子号”成功发射后，潘建伟立即成了“网红”。他的身影出现在多个论坛或讲台，面向不同的群体讲解量子通信。9月1日，在北京中关村一小，潘建伟还受邀为小学生们上了普及量子常识的开学第一课。
在每个公开场合，潘建伟所有的演讲，总离不开两个问题：量子通信厉害在哪里？中国的量子通信又有多厉害？对这一缺乏日常感知的新技术，有人“不明觉厉”，也有人不觉生疑。
即使是“墨子号”上了天，对于量子通信的技术可行性等方面的一些质疑也依然存在。一个说法是，相比传统通信，量子通信目前有许多技术上解决不了的缺陷，量子通信并非“正道”。
“中国人在科学技术上一直不自信。有这种声音是正常的。在量子通信这个高科技领域，中国领跑了世界，听起来像个童话，但这已经是现实。”一位多年研究量子通信的专家如是评价。
阿里巴巴集团首席技术官王坚也说：“以前我们在科学技术发展方面总是处于追赶者位置，向世界去寻求答案，但这次，我们有机会给世界一个提问的机会。”
据潘建伟介绍，量子通信的“特异功能”在于“一次一密”：在量子密钥分发过程中，其每个信息都依靠单个光子传送。它不可分割，不可克隆，一旦通信被窃听，通信双方都能立刻发现。
“量子通信相比于经典通信的最大优势是安全性。”科大国盾量子总裁赵勇说，它不依赖于算法的复杂度，具有无条件安全性。不过，他也认为，在其他方面，量子通信与经典通信相比优势并不明显。
“可以用一个经典的比喻，量子通信好比火车，经典通信好比马车。火车刚出来的时候，在很多方面不如马车。例如火车只能在铁轨上跑，马车可以去任何地方。火车还经常出毛病。但即使有这些缺点，有远见的人还是能看明白，火车的发展空间远远大于马车，未来一定属于火车。”在《这些否定量子通信的说法，为什么是错的？》一文中，中国科学技术大学博士袁岚峰这样写道。
“有没有量子通信，不是80分和90分的区别，而是0和1的区别，甚至生和死的区别。”袁岚峰表示，非理性否定量子通信的说法对社会的危害不小，需要认真对待。
“中国速度”
争议的产生，或许是因为量子通信在中国发展得太快了，远超常人想象。
以“墨子号”通信卫星为例，该项目从2011年立项到2016年发射，只用了5年时间。而在过去的10多年时间，量子通信在中国的发展更是如同一列飞奔的火车，期间创造了多个“世界第一”：
2003年，首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验，首次成功地实现了自由量子态隐形传输;
2008年，利用冷原子量子存储技术，在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠;
2014年11月，将可以抵御黑客攻击的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，并将成码率提高了3个数量级，创下新的世界纪录……
就在“墨子号”发射约一个月之后，国际权威学术期刊《自然·光子学》“不经意”又“暴露”了中国量子通信领域的一项重大进展。
在2012年建成、覆盖合肥主城区、拥有46个节点的合肥量子城域通信试验网上，潘建伟的科研团队与相关合作单位首次实现了预先纠缠分发的独立量子源之间的量子态隐形传输。
量子隐形传态是基于量子纠缠特性出现的一种新型通信方式。根据量子力学研究，一旦两个量子之间产生了“纠缠”关系，那么无论相隔多远，一个量子的状态发生变化，另一个也会瞬时相应变化。量子隐形传态相当于将甲地某一粒子的量子信息在乙地另一粒子上还原出来，被传输的物体就像是进行了一场“穿越”。
但是，要实现这场“穿越”，必须达到“纠缠态预分发”、“独立量子源干涉”和“前置反馈”三个要素，之前国际上还没有任何一个量子隐形传态实验能同时满足要求。而在合肥量子城域通信网络的30公里光纤上，科研人员完成了满足上述三要素的量子隐形传态实验，这被视作我国未来构建可扩展的大规模量子网络奠定了基础。
潘建伟团队的科研人员告诉《财经国家周刊》记者，未来的量子信息传输网络是广域量子通信网络，建设这个网络，必须要有的一个基本通信方式就是量子态隐形传输。“它们实现的是城域网传输，城域网是实验床，未来会有很多新想法可以在这个网络里进行。”
合肥量子通信城域试验网是全球首个拥有规模化量子通信网络的城市。除了中国科技大学的所在地合肥外，2013年11月，济南量子通信试验网也投入使用，覆盖济南市主城区，包括三个集控站在内共56个节点，涵盖政务、金融、科研、教育等领域，是迄今为止世界上量子节点、用户数量、业务种类和“密钥”发放最多的、规模最大的量子试验网，每天为数以百计的用户单位提供语音电话、传真、文本通信和文件传输等量子通信业务。
我国量子通信的另一项重大工程——量子保密通信线路“京沪干线”，正是在合肥、济南这些城域网支点基础上建设，就此形成一条绵延2000多公里的广域光纤量子保密通信骨干线路。
按照潘建伟的设想，希望通过10到20年的努力，构建一个天地一体的全球化量子通信网络，最后构建基于量子安全保障的地面通信网络。
天上有卫星、地上有干线，在“中国速度”下，一张天地一体的量子通信大网已经初具雏形。
“量子星群”蓝图
不过，要真正实现量子通信的规模化应用，这一切还只是刚刚开始。
据科研人员介绍，要实现量子密钥传输，目前主要有可信中继站和星地量子通信两条路径。在可信中继站的探索上，通过中继器放大信号，保证密钥的传输与安全，这一途径依托的是在建的“京沪干线”。而星地量子通信方面，则是依托“墨子号”量子卫星，潘建伟团队通过实验，验证了微弱的量子态在穿越大气层后是可有效保持的，且每秒可传送1万个密钥。
不过，目前这两条路径都存在一些难题。
中国信息通信研究院高级工程师赵文玉说，目前国内应用的量子密钥分发技术存三个不足：一是传输的距离比较短;二是量子密钥生成的码率比较低;三是长距离的传输必须部署中继。即使是拥有了一批可信中继站，在中继节点密钥要进行交换，这在某种程度上会引入新的安全风险，降低量子密钥分发的安全性。
而卫星传送方面，目前的传送能力远远满足不了需求。潘建伟介绍，一颗卫星从轨道上每天经过上海大概只有一轨，也就只有几百秒，每秒钟可以送1万个密钥，几百秒也只是传送几百万密钥的信息。因此，一颗卫星还远远不够。
无论是“京沪干线”还是“墨子号”量子通信卫星，承担的都是“中介”功能，实现卫星和地面之间的量子通信，需要结合地面已有的光纤量子通信网络，初步构建一个广域的量子通信体系。
“我们希望通过10到20年的努力，构建一个天地一体的全球化量子通信网络，最后构建基于量子安全保障的地面通信网络。”潘建伟接受媒体采访时介绍说。
按照他的设想，未来5年，需要至少两颗卫星上天，以此解决卫星与卫星之间通讯全天时的问题。再通过10年左右的努力，形成“星群”，与地面的台站结合，逐步构建起天地一体的量子通信广域传输网络。
“这意味着，未来5到10年内，我国有望建成天地一体化的量子通信网络，实现全球量子化通信。”科技部973青年项目首席科学家、中国科技大学教授张强说。
产业元年
“量子星群”蓝图也许10年之后才能绘就，但在不少业内人士看来“量子称霸”时代已经到来，2016年就是量子信息的产业化元年。
积极的信号首先来自于国家战略和政策层面。
10月9日，中央政治局就实施网络强国战略进行第三十六次集体学习，习近平总书记指出，要实施网络信息领域核心技术设备攻坚战略，推动量子通信等研发和应用取得重大突破。作为事关国家信息和国防安全的前沿技术，量子通信再一次为中国最高决策层所强调。
今年4月，习近平总书记在中国科学技术大学考察时，对量子通信研发工作给予高度肯定。
7月20日，李克强总理主持召开的国务院常务会议上，通过了“十三五”国家科技创新专项规划，要求在量子通信等重点领域启动一批新的重大科技项目。据知情人士介绍，今年年底或者明年年初，支持量子信息产业发展的国家级专项基金有望设立。
伴随着国家战略、政策扶持和引导，资本聚集加速，量子通信产业正迎来爆发点。
量子通信产业主要包括元器件、设备、建设运维、运营应用四个环节。这其中，无论哪一个环节都充满商机。
“中国在量子通信领域的产业化进程大大超过欧美国家，已处于产业化发展前期。”天风证券首席策略分析师徐彪告诉《财经国家周刊》记者。尤其在产业链的核心环节——量子设备与解决方案提供领域表现突出，全球主要的4家量子设备与解决方案提供商中，有两家来自中国。“然而，在核心零组件环节还主要依赖进口，亟待突破。
中国的产学研用各界也正在努力突破这一瓶颈。9月12日，由清华大学和九州量子通信技术有限公司共同筹建的量子网络联合实验室揭牌。
据九州量子总裁曹文钊介绍，从具体业务领域来看，联合实验室将重点攻克长程量子网络中关键量子器件的研究，促成量子网络技术在产业化中的应用，重点关注量子网络关键器件的研发及量子保密通信网络方案的分析与优化，尤其在量子中继、量子密码和量子测量等当今量子信息界的重要难题方面，联合实验室的成立将起到重要推进作用。
而早在去年年底，国科控股、科大国盾量子、阿里巴巴、中兴通讯等发起组建“中国量子通信产业联盟”，联盟将通过整合在技术研发、核心制造、基础设施、应用服务、大数据、互联网以及科技金融等领域代表性核心企业和研究机构的优势资源，促进创新链、产业链与资本链的联动，做好产业顶层设计与战略规划，推动标准规范的建立健全，构筑可持续发展的量子通信产业生态系统，打造世界领先的量子通信产业。
根据中投顾问的预测，国内量子通信短期市场规模在100亿—130亿元左右，长期市场规模将超过千亿。随着量子通信商业化进程的推进，产业链上中下游将持续受益。
量子密码通信研究进展 篇10
一、量子密码学
经典密码体制有两种运用很广泛的体制, 一是非对称密码体制, 另一种是对称密码体制[1]。
非对称密码体制又称为公开密钥体制, 接受消息者 (通常称为Bob) 先选一组只有他自己知道的私人密码, 由此私人密码推算出相应的公开密码, 并将此公开传给准备发送消息的所有人, 发送消息者 (通常称为Alice) 利用公开的密钥将消息加密发给接受者Bob。对于所有的人, 包括窃听者 (通常称为Eve) 很难从密文反推原来的消息, 只有Bob既知道公开密钥又知道私人密码, 才能将密文解密而还原成原文。这种传输消息体制中的Alice和Bob拥有不同的密钥故称为非对称密码体制, 此体制的安全依赖于解密计算的复杂性。例如最常用的RSA密码算法, 就是应用大数分解质因子的原理。在Alice与Bob之间传递的密文, 是以公钥加密, 而这个公钥是一个很大的数, 例如408508091 (实际上用的数会远大于此) 。密文只能以Bob握有的私钥解开, 这把私钥是公钥的两个因数, 而在这个例子里就是18313与22307。通常含有的质因子愈大愈难将它们分解出来, 因此至今密钥的安全性仍旧很高。按照现有的理论计算, 分解一个400位数的质因子, 用目前最先进的巨型计算机也需要用10亿年的时间, 而人类的历史才不过几百万年。然而量子计算机概念的出世, 严重动摇了RSA公钥密码体制的安全性。1994年, 美国的P.W.Shor利用量子计算机理论证明, 一个N位大数的质因子分解只需用N的多项式的时间而不是以前所认为的N的指数次的时间。利用量子计算机分解一个400位大数仅仅需要不到一年的时间!Shor的工作引起了科学家们巨大的热情和兴趣。1995年, 美国Grover证明在搜索问题上量子计算机比经典计算机优越。因此当量子计算机的研究有了突破性的进展, 因子分解的难度将会显著下降[2]。
对称密码体制又称专用密码体制, Alice和Bob拥有相同的密码, Alice用此密码加密, Bob用同一密码解密, 已经证明这种密码体制仅用一次才能保证完全安全, 再次使用安全性将大打折扣。因此这样的密码体制尽管有安全保障, 但效率太低, 在实践中Alice和Bob的密码只能依靠两人会面或者有专门的信使传递, 成本很高且存在新的安全隐患。为了提高密码的利用率, 发展了DES, AES及IDEA等对称密码体制[1]主要靠计算复杂度的增加来实现密码的重复使用。然而, 它同样面临量子计算机的发展变得岌岌可危。
从数学上讲只要掌握了恰当的方法任何密码都可破译。此外, 由于密码在被窃听、破解时不会留下任何痕迹, 用户无法察觉, 就会继续使用同地址、密码来存储传输重要信息, 从而造成更大损失。然而量子密码不是依赖于计算的复杂度, 而是基于量子力学原理, 利用量子的物理特性来保护信息。其原理是“海森堡测不准原理 (Heisenberg uncertainty principle) ”中所包含的一个特性, 即当有人对量子系统进行偷窥时, 同时也会破坏这个系统。在量子物理学中“海森堡测不准”原理表明, 如果人们开始准确了解到基本粒子动量的变化, 那么也就开始丧失对该粒子位置变化的认识。所以如果使用光去观察基本粒子, 照亮粒子的光 (即便仅一个光子) 的行为都会使之改变路线, 从而无法发现该粒子的实际位置。从这个原理也可知, 对光子来讲只有对光子实施干扰才能“看见”光子。因此对传输光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系, 通讯会被中断。另外, 还有“单量子不可复制”定理。它是上述原理的推论, 指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的, 因为要复制单个量子就必须先做测量, 而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理, 即使量子密码不幸被Eve获取, 也会因测量过程中对量子状态的改变使得Eve只能得到一些几乎无意义的信息。
量子密码就是利用量子存在状态作为信息加密、解密的密钥, 其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”的量子纠缠态 (entangled state) 。它是一种量子力学现象, 指不论两个粒子间距离有多远, 一个粒子的变化都会影响另一个粒子。因此当使用一个非线性晶体 (如碘酸锂[lithium iodate], 硼酸钡[barium borate]) 将一个光子“分裂”成一对纠缠的光子后, 即使相距遥远它们也是相互纠结的。只要测量出其中一个被纠缠光子的属性, 就容易推断出其他光子的属性。而且由这些光子产生的数据只有通过特定发送器、接受器才能解读。同时由于这些光子间的“神秘远距离活动”独一无二, 只要有人要非法拦截这些数据, 就会不可避免地扰乱光子的性质。而且异动的光子会像警铃一样显示出入侵者的踪迹, 再高明的Eve对这种加密技术也将一筹莫展。这实际上就是一种不同于传统需要加密解密的加密技术, 其实质在传递过程中规避Eve的窃听或者篡改。
二、量子密码通信
量子通信系统由量子态发生器、量子通道和量子接收设备组成。它是光纤通信技术的一种, 只不过其量子通道利用光的量子物理特性, 让一个个光子传输0和1的信息, 量子通信技术所传输的信息是分为经典还是量子两类, 前者主要用于量子密钥的传输, 开发无法破译的密码;后者则是量子瞬间传送, 一种令人难以置信但在量子世界里确实可行的瞬间远距离“实物”传输技术。
实现单光子密码通信, 可以试想成Alice向Bob逐个地、随机地发出互不正交的两种量子状态水平偏振单光子及45O偏振单光子, 并规定水平偏振码值为0, 45O偏振码值为1。Eve要获取信息, 必须截取并测量Alice和Bob的通信。Eve有50%的机会猜对Alice发送的是哪一种偏振光子, 此时Eve能正确测出码值。Eve还有50%机会猜错码值, 即使在猜错时仍由50%机会得到正确码值, 这样合起来Eve测得正确的码值机会有75%。Eve测得后, 从Alice向Bob发送的量子态遭到破坏, Eve为了掩饰窃听, 需要伪装Alice向Bob发出的量子态, 由于Eve只有75%的正确码值, 因而Eve向Bob发送的单光子状态将有25%的机会错误, 如此高的误码率 (QBER) 将容易被Alice及Bob发现。他们会舍弃这次通信, 以维护通信安全。
实现通信协议的密码通信, 以BB84协议为例:
协议采用四个非正交态作为量子信息态[图1], 且这四个态分属于两组共轭基, 每组基内的两个态是相互正交的。两组基互为共轭是指一组基中的任一基矢在另一组基中的任何基矢上的投影都相等。因此, 对于某一基的基矢量子态, 以另一组共轭基对其进行测量会消除它测量前具有的全部信息而使结果完全随机, 也就是说测量一组基中的量将会对另一组基中的量产生干扰。光子的线偏振量和圆偏振量就是互为共轭的量。不论是用左旋圆还是右旋圆偏振基测量线偏振光子, 都是各以一半的几率得到左旋或右旋圆偏振态。反之亦然。
现在我们假定Alice与Bob约定用这两种偏振基中的四种偏振态来实现量子密钥分配, 操作步骤如下:
(1) Alice随机地选择右旋、左旋、水平或垂直四种中任一种偏振态的光子并发送给Bob; (2) Bob随机地独立选择线偏振基或圆偏振基测量该光子的偏振态; (3) Bob实际所测到的偏振方向 (只有Bob自己知道, 其中一些态未被检测到) ; (4) Bob公布他检测到态时所采用的测量基 (如, 通过打电话告诉Alice) , 但不公布测量到哪个偏振态, Alice告诉Bob哪些测量基是正确的并保留下来, 其余的丢弃掉; (5) Alice和Bob仅保留相同基时的态, 并按约定的规则转化为二进制序列 (如左旋圆偏振态和水平线偏振态代表比特“0”, 右旋圆偏振态和垂直线偏振态代表比特“1”) 。 (6) 确定有没有致命的窃听 (7) 通过公开的信道进行纠错, 即称为的数据协调。 (8) 进行密性放大, 即指牺牲部分Alice和Bob共有的信息来将Eve可能以获取的信息变为无效, 密性放大是通过公开的信道进行的。最后Alice和Bob共同拥有的码序列, 就是所需的密码[3]。
三、量子密码通信的进展状况
如何让信息快速、方便、安全地传递是信息科学的主要课题, 量子密码学产生正是基于此思想。在1970年美国哥伦比亚大学的科学家威斯纳 (S.Wiesner) 提出如何将量子特性用于密码科学, 利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”, 这个构想因量子态的寿命太短而无法实现。受此启发, 确让IBM的贝内特 (Bennett C H) 博士和加拿大学者布拉萨德 (Brassard G) 想到单量子态虽然不好保存但可用于传输信息。在1984年提出了第一个量子密钥分配方案, 称为BB84协议。1992年C.H.Bennett又提出了一种更简便但效率减半的方案, 即B92协议。
最早的量子密钥分配 (QKD) 网络实验是由英国的P.D.Townsend小组于1998年提出。他们利用光无源器件——分束器 (splitter) 实现了Alice与多个Bob之间的密钥分配。美国国防高级研究计划局 (DARPA与哈佛大学、波士顿大学和美国国家标准与技术研究所 (NIST) 等多家研究机构合作展开了量子保密通信与IP互联网结合的5年试验计划, 并于2003年在BBN实验室进行了成功的实验运行。经过近20年的发展, 量子密码通信目前已从单纯研究逐步走向实际应用。2002年7月以日内瓦为基地的公司 (id Quantique) 已在长达67Km的光纤上实现单光子密码通信。2004年3月日本NEC公司宣称创下了量子密码传输距离的新记录——150Km, 这一距离为量子密码技术的实用化提供了可能。2004年6月3日, 6节点的QKD网络在哈佛大学、波士顿大学和BBN公司之间利用标准电信光缆进行了通信。这套网络目前拥有6个节点, 其中:由4个是可以互操作的弱相干量子密钥分发系统, 它们的脉冲比率为5MHz;另外两个是高速自由空间量子密钥分发系统。这套网络主要通过普通光纤来传输采用密码加密的数据, 与现有互联网技术完全兼容, 网络传输距离约为10Km。到2005年3月, 这套网络已增加到10个节点, 并且增加了基于量子纠缠的量子密钥分发系统。2007年3月, 中国研究人员在北京网通的实际线路上利用量子路由器实现了分布3个不同地点的4用户长时间稳定QKD和视频保密通信。欧洲的英、法、德、意等国家建立了基于量子保密的安全通信网络, 简称Secoqc[4] (Secure Communication Based on Quantumn Cryptography) , 并于2008年在奥地利的维也纳实验证实了5个节点的Secoqc QKD网络。2009年10月9日id Quantique公司网站发布, 由日内瓦、瑞士西部的应用科学大学和大学的身份证Quantique公司, 长期在一个网状网络环境长期的量子密码技术合作, 建立Swiss Quantum测试网络, 运行超过6个月, 并于最近通过了累计运行时间标记12000小时, 这标志着这项技术成熟、可靠[5]。
摘要：本文通过阐述量子密码学产生, 在通信领域中的开发与研制, 到实际应用的过程, 揭示量子密码在保密通信中发生着深刻变化, 展示未来保密通信领域中快捷、可靠、安全的发展前景。
关键词：量子信息技术,量子密码通信,量子密码学
参考文献
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