量子保密通信

量子保密通信实验

引言

自古以来,人们就希望各种保密的信息能安全地交流,于是便发明了各种密码术。但是随着加密方法的公开和科技的发展,各种加密方法都面临着被轻易破解的危险:如古老的凯撒密码就可以通过字频分析结合穷举法实现破解;而现在应用的最为广泛的RSA公钥密码体系理论上已被证明可以用Shor算法实现破解。迄今为止,只有一次一密的加密方案在理论上被证明是理想安全的。随着信息安全日趋重要,怎样保密通信已成为当今最为紧迫的问题之一。一次一密的加密方案安全性毋庸置疑,然而如何找到一条安全的途径,实现大量的密钥分发又成为一个关键的问题。于是基于量子不可克隆定理的量子密码学应运而生。量子密码学不仅是一门科学,而且是一门精巧的通信艺术。通过量子密码实验系统,不仅可以让我们直观的理解BB84协议和了解量子保密通信,并且可以进一步以此作为平台,进行一系列的科学研究。

实验目的

1. 学习使用BB84协议实验中常用的仪器设备

2. 理解量子保密通信实验中BB84协议理论

3. 观测量子保密通信实验中的成码率，误码率，加密解密效果

实验原理

BB84协议是Charles H. Bennett 与 Gilles Brassard 1984年提出的描述如何利用光子的偏振态来传输信息的量子密钥分发协议:发送方Alice和接收方Bob用量子信道(如果光子作为量子态载体,对应的量子信道就是传输光子的光纤)来传输量子态；同时双方通过一条公共经典信道(比如因特网)比较测量基矢和其他信息交流,进而两边同时安全地获得和共享一份相同的密钥。

BB84协议基本条件首先是拥有一个量子信号源，并可以随机地调制产生两套基矢总共四种不同的量子态信号；其次，调制后的量子信号可以通过一个量子信道如光纤或者自由空间来进行传输；再次，接受到的量子信号可以被有效地测量，其中测量所用的基矢也是随机选择的，同时需要一个辅助的经典公共信道可以传输经典的基矢对比等信息。另外该经典公共信道要求是认证过的，任何窃听者虽

然可以通过窃听获知这些经典信息但是不允许改变信息。在上述条件下，即可在通信双方之间建立起安全密钥，通信双方此时利用一次一密加密体制加密并传送密文，完成安全通信。

图1.1 为BB84协议示意图

下面将以具体量子态为例，对协议的过程进行更详细地描述，由于理论上公共信道的安全性不需考虑，BB84协议在设计时已考虑到了两种信道都被第三方(Eavesdropper通常称为Eve)窃听的可能。具体过程是:首先Alice 随机产生一个比特(0 或1)并且随机选取一对正交态(基矢)"＋"或"×",从而制备出一个随机的量子态(0 度水平偏振记作|→>，90 度垂直偏振记作|↑>，+45 度偏振记作|↗>，和-45 度偏振记作|↘>)。编码如下表格所示:

图1.2

然后Alice把这个光子通过量子信道传送给Bob,Bob紧接着测量接收到的光子的量子态。然而Bob并不知道Alice制备量子态时选择了哪个基矢，只得随机的选择一个测量基矢（"＋"或"×"）来测量。Bob测量他接收到的每个光子并记录所选的基和测量结果。同时通过公共经典信道同Alice进行交互：Alice公布

制备每个光子量子态所选择的基矢,Bob将测量对应光子所选择的测量基矢与之对比，舍弃那些双方选择了不同的基矢的比特（50%），剩下的比特还原保留为他们共有的密钥,从而完成密钥分发。

图1.3

BB84协议是如何保证安全的呢?

如果窃听者Eve选择基矢"＋"来测量|↑>，会以100%的概率得到|↑>,但是选择基"＋"来测量|↗>或|↘>态光子，结果就是随机的，会以50%的概率得到|→>，或以50%的概率得到|↑>。于是即便当Eve选择和Alice同样的基矢"＋",也无法彻底分辨原本状态是|↑>还是|↗>或|↘> (非正交态无法通过测量被彻底分辨),即原始状态的信息丢失了。窃听的目的是获得信息而不是密钥,因此Eve还必须保证不能被Bob发现。然而Eve为了获得光子偏振信息而作了测量,就不可能再完全克隆出原截获的光子!Eve的介入必然会额外的较大错误率,因此Alice和Bob最后可以拿出他们密钥的一部分，然后相互对比来检查是否有第三方Eve窃听。一旦发现Eve,则将丢弃这次分发的密钥,重新选择别的量子信道进行密钥分发。

实验装置

1、量子信号发射机

量子信号发射机由一个发送方主控板和两个光源板组成。主控板控制四个850nm的分布反馈激光器,可随机地发射频率为1MHz的脉冲激光,四路激光对应将被制备为四种偏振态(我们简单的记为HV+-)；同时主控板还输出一路同步电信号,控制单光探测器开门时间。此外量子信号发射机还有一个USB接口,用于上位机软件下发上传数据和命令。

2、量子信号接收机

量子信号接收机由一个接收方主控板和一个单光子探测器组成。主控板根据同步电信号和延时、门宽等参数,让探测器开门探测接收到的光子。单光子探测器是利用雪崩效应探测光子,输出地电脉冲信号由主控板处理。同时主控板将得到的信息通过USB 上传到计算机上,通过经典网络和发送方完成基矢比对。

3、光学平台

本光学平台是根据BB84 协议,用偏振分束器PBS、单模耦合器SMC、光纤跳线、手动偏振控制器MPC 和法兰式可调衰减器ATT 等光纤器件搭建起来的量子密钥分发光路。

（1）偏振分束/合束器Polarization Beam Splitter

单模PBS 是一个1×2 光纤器件,其中Port1 和Port2 是两个偏振方向相互垂直的单端,而Port3 是Common 端。该器件的作用是将一个输入到公共端的偏振光按照两个相互垂直的偏振方向进行分束,反之则是将输入到单端的两个偏振

方向相互垂直的光进行合束,它的功能等效为一个格兰棱镜。对于偏振方向和PBS 成一个θ角的偏振光子而言,则是会有sin2θ的概率走水平方向偏振的Port1 端,有cos2θ的概率走垂直方向偏振的Port2 端。

（2）单模光纤耦合器Single Mode Coupler

单模光纤耦合器SMC 又常称为光纤分束器BS。该器件是一个偏振无关器件,作用是将光按照一定的分光比(BS 两单端输出光功率比)分束或将两束光合束。

（3）850nm 单模光纤跳线

量子密码实验系统所使用的波激光器波长是850nm,因此所有的光学器件工作的中心波长都是850nm,包括前面的PBS、SMC 和后面的一千米光纤。此外实验所用的光纤器件尾纤都是单模光纤。本实验发送方用光纤跳线连接发射机和可调衰减器,而接收方四路则分别用两根跳线增加延时后用SMC 合束(一般光在光纤中传播速度是1m/5ns)。

（4）手动偏振控制器MPC

手动偏振控制器在发送方和接收方光路中各有两个。发送方的四路光经过

两个PBS 合束后都是相互垂直的偏振光,而两对垂直偏振光之间的45°夹角则需两个MPC 来制备。而经过单模光纤(包括千米光纤),传输到接收方的偏振光,由于受到各种因素(如光纤的椭圆度,残余应力,环境震动及温度)的影响,光的偏振发生了未知的变化(偏振模色散)。因此接收方用两个MPC,通过调节偏振反馈,来补偿光在路径中的偏振变化。手动偏振控制器是由三个光纤环组成,它的功能结构等效为"波片+波片+波片"(第一个环作用是将圆偏振光变成线偏振光,第二个环的作用是将线偏振光补偿旋转一定角度,第三个环的作用是将线偏振光还原为圆偏振光)。这样再传到单模PBS 后,相互垂直的偏振光的偏振方向将与PBS 的两个轴相吻合,从而被正确的偏振分束(这里有一个很重要的概念, 偏振相互垂直的光在光纤传输中始终垂直)。手动偏振控制器每个环对偏振的调节是按照正弦曲线变化的,具体调法是:先旋转第一个环找到极值点后,接着旋转第二个环找到更大或更小的极值点,然后旋转第三个环,如此循环直到偏振调到满足要求