量子保密通信

量子保密通信量量子子保保密密通通信信目录绪言................................................................2绪绪言言第一章保密通信....................................................3第一章保密通信1.1引言.......................................................................................................................................31.2经典保密通信.......................................................................................................................31.3量子保密通信.......................................................................................................................41.4量子密钥分配原理...............................................................................................................5第二章量子密钥分配协议.............................................7第二章量子密钥分配协议2.1引言.......................................................................................................................................72.2BB84量子密钥分配协议.....................................................................................................72.3B92量子密钥分配协议......................................................................................................102.4EPR量子密钥分配协议.......................................................................................................112.54+2量子密钥分配协议......................................................................................................13第三章量子通信传输流程...........................................14第三章量子通信传输流程3.1引言.....................................................................................................................................143.2量子传输.............................................................................................................................143.3筛选数据(Distilldata).................................................................................................153.4数据纠错(ErrorCorrection).........................................................................................153.5保密增强(PrivacyAmplification)...............................................................................163.6身份认证(IdentifyAuthentication)............................................................................16第四章量子密钥分配系统...........................................17第四章量子密钥分配系统4.1引言.....................................................................................................................................174.2双MZ干涉仪系统.................................................................................................................174.3即插即用系统.....................................................................................................................184.4基于VPN网络的量子通信系统...........................................................................................19跋.................................................................21跋参考文献...........................................................21参考文献量子保密通信绪绪绪言言言量子密码术是量子物理学和密码学相结合的一门新兴交叉科学，它成功地解决了传统密码学中单靠数学无法解决的问题并引起国际上高度的重视，是主要应用于量子信息领域的一个重要课题。随着单光子探测等技术的不断发展，量子密码通信技术在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，量子密码术将成为保护数据安全的昀佳选择之一。本文的工作分为三大部分:一、论文首先对各种不同的量子密钥分配方案进行了描述。详细探讨了BB84的原理及实现流程。在此基础上还分别介绍了B92和EPR这两种经典协议的原理和大概的工作流程。并描述了基于BB84协议和B92协议的4+2协议，证实了4+2协议相对BB84协议和B92协议具有更强的稳健性。二、对量子传输的整个流程，如量子传输，筛选数据，数据纠错，保密增强，身份认证，做整体的描述。并对目前的两种主要量子密钥系统的工作原理和实现机制做了简单介绍。昀后还提及到基于VPN网络的量子密钥分配系统，该系统对于实现量子通信网络是大有帮助的。三、即插即用量子分发系统方案。在该部分，我们在本实验室现有的条件下，提出了实际的量子保密通信系统，比对系统的主要技术单元，系统的工作流程和硬件接口做了介绍，昀好还简单提及到系统的安全性问题。作者：米景隆华南师范大学信息光电子科技学院引言传统的加密系统，不管是对密钥技术还是公钥技术，其密文的安全性完全依赖于密钥的秘密性。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，但由于截收者的存在，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。近年来，由于量子力学和密码学的结合，诞生了量子密码学，它可完成仅仅由传统数学无法完成的完善保密系统。量子密码学是在量子理论基础上提出了一种全新的安全通信系统，它从根本上解决量子特性不可忽视，测量动作是量子力学的一个组成部分。在这些规律中，对量子密码学起关键作用的是Heisenberg测不准原理，即测量量子系统时通常会对该系统产生干扰，并产生出关于该系统测量前状态的不完整信息，因此任何对于量子信道进行监测的努力都会以某种检测的方式干扰在此信道中传输的信息。1.2经典保密通信一般而言，加密体系有两大类别，公钥加密体系与私钥加密体系。经典保密通信原理如下图1一1所示:密码通信是依靠密钥、加密算法、密码传送、解密、解密算法的保密来保证其安全性.它的基本目的使把机密信息变成只有自己或自己授权的人才能认得的乱码。具体操作时都要量子保密通信使用密码讲明文变为密文，称为加密，密码称为密钥。完成加密的规则称为加密算法。讲密文传送到收信方称为密码传送。把密文变为明文称为解密，完成解密的规则称为解密算法。如果使用对称密码算法，则K＝K’,如果使用公开密码算法，则K与K’不同。整个通信系统得安全性寓于密钥之中。公钥加密体系基于单向函数(onewayfunction)。即给定x，很容易计算出F(x)，但其逆运算十分困难。这里的困难是指完成计算所需的时间对于输入的比特数而言呈指数增加。举例而言，RSA(Rivest,Shamir,Adleman)即是具有代表性的公开密钥算法，其保密性建立在分解有大素数因子的合数的基础上。公钥体系由于其简单方便的特性在昀近20年得以普及，现代电子商务保密信息量的95%依赖于RSA算法。但其存在以下主要缺陷。首先，人们尚无法从理论上证明算法的不可破性，尽管对于己知的算法，计算所需的时间随输入的比特数呈指数增加，我们只要增加密钥的长度即可提高加密体系的安全性，但没人能够肯定是否存在更为先进的快速算法。其次，随着量子计算机技术的迅速发展，以往经典计算机难以求解的问题，量子计算机可以迎刃而解。例如应用肖氏(Shor's)量子分解因式算法可以在多项式时间内轻易破解加密算法。另一种广泛使用的加密体系则基于公开算法和相对前者较短的私钥。例如DES(DataEncryptionStandard,1977)使用的便是56位密钥和相同的加密和解密算法。这种体系的安全性，同样取决于计算能力以及窃听者所需的计算时间。事实上，1917年由Vernam提出的“一次一密乱码本”(onetimepad)是唯一被证明的完善保密系统。这种密码需要一个与所传消息一样长度的密码本，并且这一密码本只能使用一次。然而在实际应用中，由于合法的通信双方(记做Alice和Bob)在获取共享密钥之前所进行的通信的安全不能得到保证，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，如果通信双方完全通过在经典信道上传输经典信息，