[发明专利]量子密钥分配中的加速全效及扩容方法

说明书

技术领域

量子密钥分配中的加速全效及扩容方法属于量子保密通信技术领域。

背景技术

与传统密码学不同，量子密码通信是密码学与量子力学结合的产物，它是以量子态为信息载体，利用量子力学的一些原理来保护信息。通常把通信双方以量子态为信息载体，利用量子力学原理，通过量子信道传送，在彼此之间建立共享密钥的方法，称为量子密钥分配(Quantum Key Distribution-QKD)，其安全性是由量子力学中的“海森堡测不准关系”(或叫测不准原理)及“单量子不可复制定理”(也叫未知量子态不可克隆定理—非克隆定理)来保证的。量子密钥分配不是用于传输密文，而是用于建立、传输密码本，即在保密通信双方分配密钥。

历史上，首先想到将量子力学用于密码学的是美国科学家威斯纳。威斯纳于1970年提出，可以利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。实现这个设想的最大困难是需要长时间保存单量子态，在技术上很难成功。随后，IBM公司的贝内特(Charles H.Bennett)和蒙特利尔(加拿大)大学的布拉萨德(Gilles Brassard)在研究中发现，单量子态虽然不好长时间保存但可以用于传输信息。1984年，他们提出了第一个量子密钥分配方案，通常称为BB84量子密钥分配方案，简称BB84方案。1992年，贝内特又提出一种更简单，但效率减半的方案，通常简称B92方案。

最近的二十年里，量子密钥分配在实验上取得了很大进展，同时也走向了实用化。英国国防研究部于1993年首先在光纤中用相位编码的方式实现了BB84方案，光纤传输长度达到了10公里。到1995年，在光纤中的传输距离达到了30公里。瑞士日内瓦大学在1993年用偏振的光子实现了BB84方案，他们使用的光子波长为1.3μm，在光纤中的传输距离为1.1公里，码率仅为0.54％，并于1995年在日内瓦湖底铺设的23公里长的民用光通信光缆中进行了实地表演，误码率为3.4％。1997年，他们利用法拉第镜抑制了光纤中的双折射等影响传输距离的一些主要因素，同时使使用的方便性大大提高，被称为“即插即用”的量子密钥方案。2002年，他们又用“即插即用”方案在光纤中成功地进行了67公里的量子密码传输。2000年，美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室在自由空间里进行的量子密钥分配的传输距离达到了1.6公里；2002年，在自由空间中的距离达到了10公里。目前他们正在为地面与低轨道卫星之间的量子密码通信试验做准备。迄今为止，量子密码通信设备在国外已有正式产品。

下面以BB84方案为例简要地介绍量子密钥分配的基本思想。现以偏振的单光子量子态作为量子信号源说明量子密钥分配(或称之为量子密码通信)的物理原理；对于其它的量子信号源，其原理是类似的。

设我们用方解石来区分水平与垂直方向偏振的光子，如图1所示。图1(a)表示沿水平方向偏振的光子垂直方解石表面入射通过方解石后传播方向不变。图1(b)表示沿垂直方向偏振的光子垂直方解石表面入射通过方解石后传播方向发生偏转，即出射光子相对于入射的光子在传播方向上发生一定的向下平移。图1(c)表示斜向45°方向偏振的光子垂直方解石表面入射通过方解石后，光子的传播方向可能发生偏转，也可能不发生偏转，二者的发生几率各占50％。由于图1所示放置的方解石对于水平和垂直偏振方向的光子通过后方向是否发生偏转是完全确定的，即水平偏振不偏转，垂直偏振发生偏转，我们将这样的测量装置称为水平垂直测量基，简称为水平垂直基，用符号“”标识。如果我们把方解石沿光子水平偏振方向和传播方向组成的平面旋转45°，这样的装置我们称之为45°与135°基，用符号标识。因为我们用基去测量45°或135°方向偏振的光子可以得到一个完全确定的结果，即45°方向偏振的光子通过后不发生偏转，135°方向偏振的光子通过后发生偏转。用基去测量45°或135°方向偏振的光子，以及用基去测量水平或垂直方向偏振的光子均无法事先得到确定的结果，即是否偏转是完全随机的。