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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 量子密鑰分配的研究及其經(jīng)典仿真
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡(jiǎn)介：
- 實(shí)用的量子密鑰分配仿真是最新的研究領(lǐng)域。本文進(jìn)行了三項(xiàng)量子仿真研究：BB84協(xié)議仿真；發(fā)送設(shè)備不理想的仿真；誘騙態(tài)方案仿真。仿真模擬了光子偏振發(fā)送器等量子器件。同時(shí)研究了數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)的兩種方法，得出各自適用范圍。 本文的仿真工作為攀登量子仿真之峰鋪設(shè)了臺(tái)階，指引了方向，還可指導(dǎo)量子信息儀器設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，促進(jìn)量子密鑰分配的進(jìn)一步實(shí)用化。
- 詳細(xì)介紹：
- 量子技術(shù)以超快速計(jì)算和絕對(duì)安全通信為特征，是未來(lái)百年經(jīng)濟(jì)發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵。量子信息處理是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)處理的儀器設(shè)備基數(shù)在數(shù)百萬(wàn)到數(shù)千萬(wàn)之間，實(shí)際操作中一個(gè)都不能有錯(cuò)，因此仿真起著至關(guān)重要的作用。 相比實(shí)驗(yàn)的高昂經(jīng)費(fèi)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)仿真是更普遍的研究方法，也是量子密碼通信研究的一種重要方法。本文對(duì)量子密鑰分配進(jìn)行仿真研究，具體工作是在振幅衰減信道中仿真BB84協(xié)議，計(jì)算其安全碼率，并與Vittorio Giovannetti和Rosario Fazio給出振幅衰減信道的保密信道容量相比較，結(jié)果基本符合。在糾錯(cuò)過(guò)程中，使用并比較二分法和級(jí)聯(lián)法的不同，得到了各自的適用范圍?？紤]到偏振片的偏振方向非理想，本文仿真了偏振片偏移5度，10度，45度三種情況。仿真結(jié)果表明，偏振片在偏移5度以內(nèi)時(shí)，對(duì)密鑰長(zhǎng)度影響不大。 此外，本文對(duì)一種基于相干態(tài)的誘騙態(tài)方案進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了誘騙態(tài)方案抵抗光子數(shù)分裂攻擊的有效性。該方案仿真得到在光纖中安全通信距離為140km。 本論文的目的是促進(jìn)量子密鑰分配的進(jìn)一步實(shí)用化。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 由于量子態(tài)的物理特性，使得在實(shí)驗(yàn)室里制備量子態(tài)比較困難，同時(shí)對(duì)制備的量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量也非常復(fù)雜且代價(jià)昂貴，加之非理想光源的使用以及信道噪聲的影響，都使得實(shí)際量子密鑰分配的安全傳輸距離受到了限制。因此，僅是一些標(biāo)準(zhǔn)的量子密鑰分配協(xié)議得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，大部分的協(xié)議只是在理論上得到了證實(shí)。 為建立理論和實(shí)際之間的橋梁，本項(xiàng)目對(duì)BB84協(xié)議、通信儀器設(shè)備、不理想設(shè)備等進(jìn)行了仿真。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 將量子噪聲信道建模為振幅衰減信道，并對(duì)密鑰分配過(guò)程中使用的光學(xué)器件進(jìn)行了模擬，最終得到的仿真結(jié)果符合V. Giovannetti和R. Fazio給出振幅衰減信道的保密信道容量理論值。 在數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)的過(guò)程中，本作品使用了二分法糾錯(cuò)和級(jí)聯(lián)法糾錯(cuò)，并且比較兩種糾錯(cuò)方式的結(jié)果，得到了各自糾錯(cuò)能力較好的范圍。 此外，本作品還對(duì)儀器設(shè)備不理想的情況進(jìn)行了仿真:偏振制備器小角度的偏移和單光子制備器的不理想。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 量子通信具有非常高的保密性，因此運(yùn)用領(lǐng)域廣泛，具有良好的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。 目前對(duì)于QKD的研究基本限于理論和實(shí)驗(yàn)。然而，無(wú)條件安全協(xié)議的理論發(fā)展深化了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的必要性?？紤]到精確的量子容量計(jì)算的困難性，以及實(shí)際量子光通信系統(tǒng)設(shè)備是十分昂貴的，購(gòu)買實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行研究不現(xiàn)實(shí)。為了彌合理論與實(shí)驗(yàn)的差距，本文使用了經(jīng)典的計(jì)算機(jī)模擬，給出了用經(jīng)典計(jì)算機(jī)仿真來(lái)研究QKD的可行性的例子。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 在量子測(cè)不準(zhǔn)原理和量子不可克隆定理的保證下，量子密鑰分配方案在通信中可以達(dá)到絕對(duì)安全，其安全性已經(jīng)在過(guò)去的幾十年中被證明。然而，很多安全性分析都是基于理想化的系統(tǒng)元器件。實(shí)際中，儀器的不完美是不可避免的，這就對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備提出了非常高的要求，造成了實(shí)際系統(tǒng)中的量子密鑰生成率和最大安全傳輸距離的局限性。 相比實(shí)驗(yàn)的高昂經(jīng)費(fèi)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)仿真是更普遍的研究方法，也是量子密碼通信研究的一種重要方法。本文對(duì)量子密鑰分配進(jìn)行仿真研究，具體工作是在振幅衰減信道中仿真BB84協(xié)議，計(jì)算其安全碼率，并與V. Giovannetti和R.?Fazio給出振幅衰減信道的保密信道容量相比較，結(jié)果基本符合。在糾錯(cuò)過(guò)程中，使用并比較二分法和級(jí)聯(lián)法的不同，得到了各自的適用范圍?？紤]到偏振片的偏振方向非理想，本文仿真了偏振片偏移5度，10度，45度三種情況。仿真結(jié)果表明，偏振片在偏移5度以內(nèi)時(shí)，對(duì)密鑰長(zhǎng)度影響不大。 此外，本文對(duì)一種基于相干態(tài)的誘騙態(tài)方案進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了誘騙態(tài)方案抵抗光子數(shù)分裂攻擊的有效性。該方案仿真得到在光纖中安全通信距離為140km。 本論文的目的是促進(jìn)量子密鑰分配的進(jìn)一步實(shí)用化。
獲獎(jiǎng)情況
- 浙江省第十二屆“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽二等獎(jiǎng)； 浙江工商大學(xué)第十屆“希望杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)； 2010年10月18~20日,日本東京,NICT、IPA和AIST舉行的“Updating Quantum Cryptography and Communication 2010” 國(guó)際會(huì)議上張貼摘要"Simulation of BB84 Quantum Key Distribution in Amplitude Damping Channel"； 2010年12月17~19日，北京，中國(guó)信息安全中心和北京郵電大學(xué)舉行的“2010 IEEE 國(guó)際信息理論和信息安全會(huì)議”上，發(fā)表論文"Simulating BB84 protocol in amplitude damping channel"， EI及ISTP收錄。
鑒定結(jié)果
- 論文"Simulating BB84 protocol in amplitude damping channel"已被 EI收錄
參考文獻(xiàn)
- 1. 馬瑞霖. 量子密碼通信[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006. 2. 鄭大鐘, 趙千川 (譯). 量子計(jì)算和量子信息(二)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004. 3. D. Stucki, N Walenta, F Vannel, et al. High rate, long distance quantum key distribution over 250km of ultra low loss fibers[J]. New J. Phys. 2009, 11: 075003.1-075003.9. 4. H. K. Lo, X. F. Ma, and K. Chen. Decoy State Quantum Key Distribution[J]. Phys. Rev. Lett. 2005, 94(23): 230504.1-230504.4. 5. P. W. Shor and J, Preskill. Simple proof of security of the BB84 quantum key distribution protocol[J]. Phy. Rev. Lett. 2000, 85(2): 441-444. 6. T. Y. Chen, J. Wang, Y. Liu, et.al. 200km Decoy-state quantum key distribution with photon polarization[J]. arXiv:quant-ph/0908.4063v1, 2009. 7. W. Y. Hwang. Quantum Key Distribution with High Loss: Toward Global Secure Communication[J]. Phys. Rev. Lett. 2003, 91(5): 057901.1 - 057901.4. 8. X. B. Wang. Beating the Photon-Number-Splitting Attack in Practical Quantum Cryptography[J]. Phys. Rev. Lett. 2005, 94(23): 230503.1 - 230503.4.
同類課題研究水平概述
- 在量子信息的所有分支中，量子密碼是最接近于實(shí)用的量子信息技術(shù)。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，量子密碼通信目前已從單純研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。 量子密鑰分配是量子密碼的核心技術(shù)。第一個(gè)量子密鑰分配協(xié)議是Bennett和Brassard于1984年提出的，即著名的BB84協(xié)議，具有無(wú)條件安全性。 1989年，Bennett和Brassard等人首次用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了BB84協(xié)議；1993年，Muller，Breguet和Gisin利用偏振編碼在光纖中實(shí)現(xiàn)了1.1km的量子密鑰分配；同年，Rarity等人利用相位編碼實(shí)現(xiàn)了10km的量子密鑰分配。 1993年，瑞士的Muller等人首次在光纖中實(shí)現(xiàn)了利用偏振編碼的量子密碼傳輸。1996年，他們改用1.3um的脈沖半導(dǎo)體激光作為光源，實(shí)現(xiàn)傳輸距離23km,誤碼率僅為34‰。 目前，對(duì)于量子密鑰分配的研究主要限于理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面。理論上絕對(duì)安全的量子密鑰分配方案已經(jīng)得到證實(shí)。理想的量子密鑰分配方案需要單光子源，目前還做不到。實(shí)驗(yàn)室中使用大衰減激光源做替代，但是這種光源發(fā)出的光子滿足泊松分布，會(huì)引起安全漏洞，不再具有安全性。改進(jìn)的方案是利用誘騙態(tài)方案。該方案可以很大程度上提高密鑰率以及安全傳輸距離，因此自提出以來(lái)受到眾多學(xué)者和研究小組的關(guān)注，并取得了很大的突破性進(jìn)展。 誘騙態(tài)方案是由Won-Young Hwang在2003年率先提出，利用一個(gè)信號(hào)態(tài)和一個(gè)誘騙態(tài)來(lái)解決光子分裂數(shù)攻擊。緊接著清華大學(xué)王向斌在2005年提出了一個(gè)空態(tài)、一個(gè)信號(hào)態(tài)和一個(gè)誘騙態(tài)的三態(tài)協(xié)議，該方法被世界各地多個(gè)實(shí)驗(yàn)室證實(shí)。同年，多倫多大學(xué)Hoi-Kwong Lo, Xiongfeng Ma等人也獨(dú)立提出了三態(tài)協(xié)議。在這之后又有學(xué)者提出了四態(tài)協(xié)議，誘騙態(tài)方向上的理論走向成熟，開始轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)。 自從誘騙態(tài)提出以來(lái)，多倫多大學(xué)Hoi-Kwong Lo小組就做了誘騙態(tài)的仿真，仿真中通信距離從142 km提高到181km。該小組在2006年做了光纖信道下的量子密鑰分配仿真，通信距離達(dá)60km。清華大學(xué)王向斌小組在2006年使用仿真的方法證明了三態(tài)協(xié)議的通信距離確實(shí)比單個(gè)相干態(tài)的通信距離遠(yuǎn)。中科大量子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在2009年實(shí)現(xiàn)了200km的通信距離，同年，D.Rosenberg更是提出了250km距離的通信。在2010年，中科大在四個(gè)城市之間實(shí)現(xiàn)多對(duì)多通信，形成了通信網(wǎng)絡(luò)。
