全光纤四态分离调制连续变量量子密钥分发
量子信息安全中的量子密钥分发技术与协议
量子信息安全中的量子密钥分发技术与协议量子信息安全是信息与通信技术领域中的前沿研究方向。
传统加密方法在量子计算机的崛起下面临着巨大挑战，而量子密钥分发技术与协议则为解决信息安全问题提供了新的可能性。
本文将重点介绍量子密钥分发技术与协议在量子信息安全中的应用与发展。
量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）是一种基于量子力学原理的加密通信方式，能够实现信息的绝对安全传输。
其基本思想是利用量子力学中的不可克隆性和不可逆性原理，确保密钥的安全性。
在量子密钥分发过程中，发送方（Alice）利用量子比特通过光纤传递光子到接收方（Bob），通过测量这些光子状态来建立共享的密钥。
为了实现量子密钥分发，需要借助于量子随机数发生器（Quantum Random Number Generator，QRNG）、单光子源、单光子探测器和量子通道等关键设备。
QRNG用于生成完全随机的比特序列，单光子源能够发射单个光子，单光子探测器则能够对接收到的光子进行精确测量。
量子通道即传输光子的媒介，可以是光纤或者自由空间。
常见的量子密钥分发协议有BB84协议、E91协议和B92协议等。
其中，BB84协议是最早被提出的量子密钥分发协议，其核心原理是利用四种不同的量子比特表示信息，在传输过程中引入随机基的选择。
E91协议则采用了纠缠态，能够对信息的窃听进行检测，并保证传输的信息是绝对安全的。
B92协议则通过减少量子比特的种类来提高传输速率。
随着量子技术的发展，量子密钥分发技术与协议也在不断演进。
研究人员提出了基于连续变量量子密钥分发技术，利用连续变量的量子态进行密钥分发，能够提高传输速率。
同时，基于高斯编码的量子密钥分发技术也引起了广泛关注。
这种方法可以利用现有的通信基础设施，实现高速、高效的量子密钥分发。
此外，量子密钥分发技术也面临着一些挑战和安全性问题。
首先，实际应用中，光子的损耗和干扰会对密钥的传输造成影响。
量子密钥分发特点
量子密钥分发特点量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）是一种基于量子力学原理的加密通信技术，它具有许多传统加密方法无法实现的特点。
以下是量子密钥分发的一些主要特点：信息安全性：量子密钥分发利用了量子力学的不可克隆性和观测影响原理，因此提供了绝对的信息安全性。
通过量子态的特性，能够检测到任何对密钥传输的窃听行为。
量子态测量不可克隆性：量子态的测量会对其状态进行破坏，因此窃听者无法在不被检测到的情况下复制传输的量子密钥。
这一性质称为量子态的不可克隆性。
窥视效应：量子密钥分发系统可以通过监测量子比特的状态来检测是否存在窃听行为，即窥视效应。
窃听者的干预会引起量子态的变化，被检测到后可以中止通信或采取其他措施。
秘密性质不可分割：量子密钥分发系统采用量子纠缠的特性，其中两个相关的量子比特是不可分割的。
任何对其中一个比特的窃听都会立即影响到另一个，从而防止信息的泄露。
前向保密性：量子密钥分发不仅能够保护传输中的密钥，还具有前向保密性。
即使将来的量子计算机出现，也无法破解已经传输的量子密钥。
量子态的准确传输：量子密钥分发依赖于精确传输量子态，因此需要使用光纤等通信介质。
确保量子态的准确传输对系统的有效性至关重要。
适用于长距离通信：量子密钥分发可以应用于长距离通信，克服了传统加密通信中由于信号衰减而产生的挑战。
安全性基于物理原理：量子密钥分发的安全性是基于物理原理而非数学难题，这使得攻击者无法利用计算机算力的增加来突破系统。
总体而言，量子密钥分发作为一种创新的加密技术，提供了高度安全的通信手段，特别适用于对信息安全性要求极高的领域，如金融、政府通信等。
然而，目前的量子密钥分发技术仍在不断发展和改进中。
量子密钥分发协议
▪ 发展趋势对比
1.随着量子技术的不断发展，量子密钥分发协议预计将会得到 更多的应用和优化。 2.经典密钥分发协议则会继续在当前的应用场景中发挥作用， 同时也可能借鉴量应用和挑战
实际应用和挑战
量子密钥分发协议的实际应用
1.当前应用主要集中在金融、政府和军事领域，利用量子密钥 分发协议提供的安全通信能力，保障敏感数据和指令的传输安 全。 2.在全球范围内，已有多个商业化和实验性的量子密钥分发网 络正在建设和运行中，验证了协议的可行性和实用性。 3.随着量子计算技术的发展，未来量子密钥分发协议有望应用 于更广泛的领域，如云计算、物联网等。
密钥生成速度对比
1.量子密钥分发协议在密钥生成速度上往往低于经典协议。这是因为量子通信需要传输量子比特， 而量子比特的生成和传输速度受到当前技术水平的限制。 2.随着量子技术的发展和优化，预计量子密钥分发的速度将会提升。
与经典密钥对比
传输距离对比
1.量子密钥分发协议受到传输距离的限制，目前的技术水平下 ，量子密钥分发通常只能在较短的距离内进行。 2.经典密钥分发协议在传输距离上具有优势，可以通过光纤或 卫星进行长距离传输。
未来发展趋势
后量子密码学的发展
1.后量子密码学是一种抵御量子计算机攻击的新型加密技术，对量子密钥分发协议的发展具有重要 意义。 2.随着后量子密码学的不断进步，未来量子密钥分发协议将更加注重与其相结合，提升系统的抗攻 击能力。 3.这需要密码学家和量子计算专家共同合作，研究和开发更为强大的后量子密码算法和协议，以确 保信息的安全性。
安全性分析
量子密钥分发协议安全性分析概述
1.量子密钥分发协议利用量子力学原理确保信息安全性。 2.协议安全性基于量子不可克隆定理和海森堡测不准原理。 3.在理论上，量子密钥分发协议可提供无条件安全性。
基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发
基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发张云杰;王旭阳;张瑜;王宁;贾雁翔;史玉琪;卢振国;邹俊;李永民【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2024(73)6【摘要】在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐,无需借助软件算法实现数据的对齐.本文采用了加拿大滑铁卢大学NorbertLütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法.该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩,以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率.计算过程中无需假设信道为线性信道,无需额外噪声的估算.密钥分发系统重复频率为10 MHz,传输距离为25 km,平均安全密钥比特率为24 kbit/s.本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步,减小了系统的复杂度和计算量,在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积,有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.【总页数】12页(P128-139)【作者】张云杰;王旭阳;张瑜;王宁;贾雁翔;史玉琪;卢振国;邹俊;李永民【作者单位】山西大学光电研究所;山西大学物理电子工程学院;山西大学;浙江大学【正文语种】中文【中图分类】TP3【相关文献】1.基于量子催化的离散调制连续变量量子密钥分发2.连续变量量子密钥分发离散调制方案的安全性分析与比较3.基于不可信纠缠源的高斯调制连续变量量子密钥分发4.基于非高斯态区分探测的往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
量子密钥分发的基本原理
量子密钥分发的基本原理量子密钥分发的基本原理什么是量子密钥分发？量子密钥分发（Quantum Key Distribution，简称QKD）是一种利用量子力学原理进行安全密钥传输的方法。
通过光子的量子特性，QKD可以提供高度安全的通信，确保密钥的机密性和不可伪造性。
量子密钥分发的基本原理量子密钥分发基于两个基本原理：量子态不可克隆定理和量子态测量不可避免地干扰系统。
下面将详细介绍这两个原理。
1. 量子态不可克隆定理量子态不可克隆定理表明，不可能创建一个完美的副本来复制未知量子态。
这意味着，如果试图对传输的光子进行复制，就会引起测量结果的不可预测性改变。
2. 量子态测量不可避免地干扰系统在量子力学中，测量一个粒子的状态会对其状态产生干扰。
这个原理被称为不可避免测量干扰原理。
在量子密钥分发中，这一原理保证了如果有人试图窃取密钥，他们的存在将会被探测到。
下面将介绍量子密钥分发的基本过程：1.发送端准备密钥：发送方准备一串随机的比特作为密钥。
2.量子态编码：发送方将每个比特用相应的量子态编码，例如，“0”可以用水平极化的光子表示，“1”可以用垂直极化的光子表示。
3.量子态传输：发送方将被编码的量子态通过光纤或自由空间传输到接收方。
4.量子态测量：接收方在收到量子态后，使用合适的测量方法对光子进行测量。
这个步骤会导致测量结果的不可预测性改变。
5.密钥提取：发送方和接收方比较他们的测量结果，并公开其选择的测量方法。
然后，接收方将根据发送方和接收方的测量结果提取出一个密钥。
6.密钥认证：发送方和接收方可以通过公开一部分密钥进行认证，以确保密钥的完整性和真实性。
量子密钥分发具有高度的安全性，主要基于量子力学的原理。
由于量子态不可克隆定理和量子态测量不可避免地干扰系统，任何试图窃听或修改密钥的行为都会被探测到。
然而，尽管量子密钥分发是安全的，但它依赖于可信的量子通道，因为量子态非常易受环境的扰动影响。
因此，确保量子通道的安全性也是非常重要的。
量子密钥分发
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重大进展
2022年2月，中科大郭光灿院士团队的韩正甫教授及其合作者，实现了833公里光纤量子密钥分发，将量子密 钥分发安全传输距离世界纪录提升了200余公里，向实现千公里陆基量子保密通信迈出重要一步。
2022年，中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子密钥分发络化研究方面取得重要进展。科研团队实现了抗 环境干扰的非可信节点量子密钥分发络，全面提高了量子密钥分发络的安全性、可用性和可靠性，向实现下一代 量子络迈出了重要的一步。
阿图尔·艾克特（Artur Eckert）于1991年发表的E91协议应用了量子纠缠科技。在这方法里，Alice和Bob 分别接收到EPR对中的一个：
|Ψ> = 之后双方都大量的随机选择基去测量，之后用贝尔不等式验证测量结果，来判断是否有人听。
信息协调与隐私增强
密钥分发完成之后的要做两个步骤是信息协调与隐私增强。
量子密钥交换
量子通信中，消息编码为量子状态，或称量子比特，与此相对，经典通信中，消息编码为比特。通常，光子 被用来制备量子状态。量子密码学利用量子状态的特性来确保安全性。量子密钥分发有不同的实现方法，但根据 所利用量子状态特性的不同，可以分为几类。
协议
B92协议
BB84协议
E91协议
查理斯·贝内特（Charles Bennett）与吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）于1984年发表的论文中提到的 量子密码分发协议，后来被称为BB84协议。BB84协议是最早描述如何利用光子的偏振态来传输消息的。发送者 （通常称为Alice）和接收者（通常称为Bob）用量子信道来传输量子态。如果用光子作为量子态载体，对应的量 子信道可以是光纤。另外他们还需要一条公共经典信道，比如无线电或因特。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（通常称为Eve）窃听的可能。
量子密钥分发技术的实际部署指南与技巧
量子密钥分发技术的实际部署指南与技巧随着科技的不断进步，信息安全问题也变得日益重要。
传统的加密技术面临着被破解的风险，而量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）技术则被认为是一种更加安全的加密通信方式。
本文将为您提供量子密钥分发技术的实际部署指南与技巧，帮助您更好地了解和应用这一技术。
1. 量子密钥分发技术简介量子密钥分发技术基于量子力学原理，利用量子态的性质实现加密通信。
通过利用量子比特（qubit）之间的量子纠缠和不可克隆性，可实现安全的密钥分发。
这种技术的独特之处在于，它能够检测到任何对密钥的窃听尝试，并立即通知通信双方。
2. 部署量子密钥分发技术的准备工作在部署量子密钥分发技术之前，首先需要进行一些准备工作：2.1 硬件设备和基础设施：量子密钥分发技术需要一些特殊的硬件设备，例如量子比特发生器、量子通信信道、量子接收器等。
此外，还需要建立一个安全可靠的基础设施，包括电力供应、机房环境和网络连接等。
2.2 安全隐私保护：由于量子密钥分发技术的敏感性，必须采取措施保护其安全和隐私。
例如，应加强对设备和通信信道的物理保护，限制对系统的访问，确保关键环节的安全性。
2.3 人员培训和技术支持：部署量子密钥分发技术需要具备一定的专业知识和技术能力。
建议培训相关人员熟悉该技术的原理、操作方法和故障排除等知识，并建立技术支持团队，以便在遇到问题时能够及时解决。
3. 部署量子密钥分发技术的步骤在进行量子密钥分发技术的实际部署时，可以遵循以下步骤：3.1 系统规划和设计：根据实际需求，设计合适的系统架构和网络拓扑结构。
确定通信双方的身份验证方式，确定密钥长度和其他安全参数。
3.2 硬件设备选择和安装：选择适用于您系统需求的硬件设备，并按照相关指南进行正确的安装和配置。
确保设备的稳定性和运行状态的监测。
3.3 密钥分发和验证：通过量子通信信道分发和验证密钥。
采用合适的密钥分发协议，例如BB84协议或EPR协议，并确保密钥的完整性和安全性。
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全光纤四态分离调制连续变量量子密钥分发
【摘要】：现代社会已经步入信息化时代,信息安全的重要性日渐凸显。
能够保障信息安全的密码学越来越受到人们的重视,其应用已渗透到人们日常生活的各个领域。
基于量子力学基本原理的量子密钥分发可以使合法通信双方获得一组的无条件安全的随机密钥,该密钥可用于信息的加密与解密,进而实现双方的保密通信,任何第三方的窃听都可以被通信双方察觉到。
量子密钥分发的无条件安全性,使得相关的理论和实验进入了一个飞速发展的时期,在未来的国防、金融、网络和通信等领域具有广阔的应用前景。
连续变量量子密钥分发利用光场的正交分量作为信息的载体,所需光源易于制备,探测效率高,同时和当前的光通信网络具有良好的兼容性,近年来受到极大关注,在理论和实验方面均得到了迅猛的发展。
按照调制方式可将相干态连续变量量子密钥分发分为高斯调制和非高斯调制方案,四态分离调制方案属于非高斯调制方案,具有调制方法简单、数据协调效率高等优点,理论上可以实现距离长达百公里以上的安全密钥分发。
本论文从理论和实验两方面对基于该方案搭建的全光纤连续变量量子密钥分发系统展开了研究。
论文首先回顾了连续变量量子密钥分发的国内外发展动态,接下来对该领域内的基础理论知识进行了介绍,并对基于平衡零拍探测的四态分离调制连续变量量子密钥分发的无条件安全性进行了分析。
然后对适用于该领域的全光纤脉冲平衡零拍探测装置的各种特性及相应测量结果进行了分析,最后介绍了基于全光纤器件的实验系统,
目前已在该系统上实现了距离为30km,安全密钥速率为1kbits/s的量子密钥分发。
本论文的主要工作内容包含以下三个方面。
1.理论分析了基于平衡零拍探测的四态分离调制相干态连续变量量子密钥分发方案的两种模型,它们是制备与测量模型和EPR纠缠模型。
在制备与测量模型中介绍了所选方案的编码规则,经过编码后双方可获得一组相关联的二进制数。
在该模型下,形象地给出了信号光场以及额外噪声在相空间中的演化过程。
在EPR纠缠模型下对所选方案的无条件安全性进行了分析。
首先介绍了系统中的各种噪声,将Alice端的源额外噪声等效为Fred所拥有的量子态,接着给出了Alice和Bob之间互信息量的计算方法,Bob采用了平衡零拍的探测方法。
然后详细地分析了Eve可获得的信息量的上限Holevo边界的计算过程。
最后给出了安全密钥速率及额外噪声的计算方法。
额外噪声是决定密钥分发的距离及安全密钥速率大小的关键因素。
两种模型是等价的。
在安全性的证明过程中,假设Eve拥有各种可能存在的先进装备,但是她的攻击手段并不能违背量子力学原理而且无法获得Bob端的装置的信息。
在Eve可以获得Fred的量子态时,Alice端的源额外噪声与通道额外噪声是等效的。
2.设计并制作了适用于量子通信领域的全光纤时域脉冲平衡零拍探测装置,该探测装置的脉冲重复速率可达2MHz,增益为3.2μV/光子,共模抑制比为76dB,信噪比可达20dB以上,总的量子效率为66%。
论文详细分析了该探测装置的工作原理和特性,包括共模抑制比、散粒噪声极限和探测装置的稳定性。
要获得高的共模抑制比,不仅要选取两个响应特性尽量相同的光电二极管,而且要求两光电二
极管产生的脉冲光电流强度相同,在时间上精确同步,上升和下降沿平缓。
在散粒噪声极限特性的测试中；通过测量输出电脉冲峰值的相关系数验证了探测装置具有良好的脉冲分辨率；对不同本地光功率下的真空散粒噪声起伏进行了测量,并绘制出了线性响应曲线,验证了探测装置具有良好的线性响应特性；将探测装置输出的脉冲峰值采集并进行快速傅里叶变换后,获得了平坦的噪声功率谱。
经分析利用探测装置的线性响应曲线可方便地计算出装置整体的量子效率。
为了获得良好的稳定性,在光路方面采用了基于耦合器尾纤的可变衰减器和稳定的连接器等因素,在电路方面通过合理布线等各种方法使探测装置具有较高的信噪比,且光电二极管两端具有稳定的偏置电压,从而确保了两光电二极管产生的光电流的强度和时间具有良好的稳定性。
经分析具有较高信噪比的探测装置可使用较低功率的本地光,从而减弱温度,振动等外界因素的干扰。
采用阿伦方差的方法对探测装置的稳定性进行了测量,其单次测量无校验窗口为100秒。
3.设计并实验实现了全光纤四态分离调制连续变量量子密钥分发,通信距离为30km,重复速率为500kHz,安全密钥速率为1kbits/s。
首先对该实验系统的运行原理进行了详细的介绍,Alice按照协议对相干态进行调制,被调制的相干态经量子信道传送给Bob,后者使用脉冲平衡零拍探测装置对接收到的量子态光场进行共轭正交分量的随机测量。
载有密钥信息的相干态脉冲以数据帧的形式进行发送,数据帧由数据块构成。
数据块是对相对相位进行运算并对其进行锁定的基本单元,实验中采用相位补偿的方法对系统运行过程中的相对相位进行锁定。
为了获得良好的锁定精度,
要求数据块的时间要远小于相位自由运转的周期,且数据块中用于相位锁定的测试脉冲数要足够多。
为了确保数据帧的传输有稳定的环境,论文重点分析了可变衰减器和三环偏振控制器的稳定性。
接下来对实验系统的参数及结果进行了分析,并给出了重要参数额外噪声的测量与计算方法。
通过对比三种不同光路下的相位锁位锁定情况,发现了影响相位锁定精度的主要原因是用于时分复用的保偏光纤,并给出了由于相位锁定误差而引入的额外噪声的估算方法。
提出了本地光场对信号光场干扰的测量方法,并对其干扰进行了测试。
经分析由于瑞利散射等原因,本地光场会对信号光场有一个几十kHz以下的干扰,通过降低本地光的功率可有效地减小对信号光场的干扰。
【关键词】：连续变量量子密钥分发四态分离调制相干态平衡零拍探测额外噪声
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O413.1;TN918.1
【目录】：中文摘要10-13ABSTRACT13-17第一章绪论17-271.1引言17-181.2国内外发展现状18-251.2.1离散变量量子密钥分发18-191.2.2连续变量量子密钥分发19-251.3论文主要内容25-261.4主要创新点26-27第二章量子信息的基础知识27-452.1光场的量子化
27-292.1.1单模光场的经典描述272.1.2单模光场的量子化27-282.1.3光子数态28-292.1.4光场的正交分量算符292.2量子测不准原理292.3量子不可克隆定理29-302.4相干态30-332.4.1相干态的定义302.4.2Fock空间中的相干态302.4.3相干态在相空间中的表示30-322.4.4相干态的过完备性32-332.5平衡零拍探测的原理33-352.6信息熵35-362.7冯诺依曼熵36-382.8RSA与一次一密38-422.8.1非对称密码体制RSA38-422.8.2对称密码体制一次一密422.9本章小结42-45第三章分离调制相干态连续变量量子密钥分发方案及安全性分析45-573.1四态分离调制方案45-493.1.1制备与测量模型45-473.1.2EPR纠缠模型47-493.2无条件安全性分析49-563.3本章小结56-57第四章全光纤时域脉冲平衡零拍探测装置57-734.1时域脉冲平衡零拍探测器的分类57-614.1.1基于前置电荷放大器的探测器57-594.1.2基于前置电压放大器或前置跨阻放大器的探测器59-614.2探测装置的原理图61-624.3探测装置的共模抑制比特性62-664.4探测装置的散粒噪声极限性能66-694.5探测装置的稳定性69-714.6本章小结71-73第五章量子密钥分发实验系统73-855.1实验装置及其运行原理73-785.1.1Alice端装置73-745.1.2Bob端装置745.1.3系统的运行74-785.2实验参数及结果78-805.3噪声分析80-825.3.1相位噪声80-815.3.2瑞利散射噪声81-825.4本章小结82-85总结与展望85-87附录各种情况下探测装置的输出波形87-91参考文献91-97攻读学位期间取得的研究成果97-99致谢99-101个人简况及联系方式101-105 本论文购买请联系页眉网站。