基于诱骗态方法的量子密钥分发

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1、中国科学:物理学力学天文学2011年第41卷第4期:459~465《中国科学》杂志社SCIENTIASINICAPhys,Mech&Astronwww.scichina.comphys.scichina.comSCIENCECHINAPRESS清华大学百年校庆专刊·论文基于诱骗态方法的量子密钥分发**胡嘉仲,王向斌清华大学物理系,北京100084*联系人,E-mail:hjz07@mails.tsinghua.edu.cn;xbwang@mail.tsinghua.edu.cn收稿日期:2011-01-15;接受日期:2011-03-04摘要诱骗态量子密钥分发方法成功地解决了光子

2、数分离攻击的安全性漏洞,并且使得人们实现了长距离的量子密钥分发.回顾了量子密钥分发的发展过程,从BB84协议至三强度诱骗态方法的实现.并且详细叙述了如何通过输入参数来获得绝对安全密钥的成码率.关键词量子密钥分发,诱骗态方法,密码,安全PACS:03.67.Dd,03.67.Hk1引言如图1发射端(Alice)随机从0°,45°,90°,135°偏振的光子中选取一个发射给接收端(Bob)，其中0°和在现代社会,人们对于通讯的安全性要求已经45°的光子代表编码为0°;90°,135°的光子代表编码非常高了.然而迄今为止,经典的通讯加密方式其安为1.那么经过一个通道之后,Bob随机从两

3、个测量全性依赖于算法复杂度,并没有获得严格的数学证明.目前,随着计算机技术的不断发展,原先许多看似安全的加密方式均在更强大的算法和计算机面前[1~4]败下阵来.因此,寻找一个从理论上绝对安全的保密通讯协议是十分迫在眉睫的,由此诞生了量子密码和量子密钥分发.量子密钥分发的思想是基于一次一密通讯的安全性证明.1948年,Shannon证明:如果密钥收发双方共享一串密钥,且每次通讯的时候密钥仅仅使用一次,那么只要密钥是完全安全的则整个通讯过程也是绝对安全的.所以量子密码的主体任务即为如何绝对安全的分发一串随机密钥.1984年,Benett和Brassard提出了首个量子密钥[5]分发协

4、议,即BB84协议.这种方案利用4种不同偏图1BB84协议的工作原理图振的单光子进行密钥信息的传输.Figure1TheworkingprincipleofBB84protocol.引用格式:胡嘉仲,王向斌.基于诱骗态方法的量子密钥分发.中国科学:物理学力学天文学,2011,41:459–465HuJZ,WangXB.Quantumkeydistributionwiththedecoy-statemethod(inChinese).SciSinPhysMechAstron,2011,41:459–465,doi:10.1360/132011-65胡嘉仲等:基于诱骗态方法的量子密钥

5、分发基中选取一个,进行测量.如果Bob选取了区分0°和90°的测量基,那么接收端就可以区分0°和90°光子,但45°和135°光子的测量结果就完全随机了.同理选取区分45°和135°的测量基,那么可以区分45°和135°的光子,而不能区分0°和90°光子.Bob接受光子之后,根据测量结果获得一串初始密钥,并且和Alice进行经典通信,此时Bob的测量基将完全公布.然后,Bob舍弃掉选择错误测量基而产生的结果.通讯双方再次进行纠错、私密放大后,就可以获得一组绝对安全的最终码.图2光子数分离攻击的原理图如果此时有窃听者Eve的存在,Eve进行窃听时Eve拦截所有的单光子信号.对于多光

6、子信号,分离其中一个留由于无法知道Alice发射光子的制备基矢,因此只能给窃听者自己Figure2ItisthefoundationofPNSattack.Evecanblockoffall随机选择其测量基.而单个光子经过Eve的测量之后,thephotonsfromthesingle-photonstatesandsplitonephotonto其状态必定发生塌缩,且塌缩至Eve的测量结果上,himselfineachmultiple-photonsstate.将与Alice制备的光子态有所区别.那么Bob在进行测量.如果光子数等于1的时候,那么Eve则吸收该测量接受的时候,E

7、ve的存在将体现在误码率上.[6,7]光子;如果光子数大于1,那么Eve从中分离一个光BB84协议的安全性被Mayers所证明.只要子给自己,其余的光子通过一个低损耗或者无损耗双方进行比对,获得误码率e,且e小于11%时,Bob通道发射给Bob.那么Eve和Bob手中所具有的光子就可以通过公开通讯和Alice进行纠错,从而获得最将完全一致.并且对于目前技术,Alice传递一个弱相终的安全密钥.而最终密钥相对于初始密钥的提取干态,通道往往是大损耗的,每增加15km,其损耗率为将增加