量子密码的理论与技术研究定稿

附件 6 编号 学 士 学 位 论 文量子密码的理论与技术研究学生姓名： 学 号： 系 部： 专 业： 年 级： 指导教师： 完成日期： 20 年 月 日学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS1摘要密码技术是信息安全领域的核心技术，在当今社会的许多领域都有着广泛的应用前景。而量子密码技术是密码技术领域中较新的研究课题，它的发展对推动密码学理论发展起了积极的作用。量子密码是以密码学和量子力学为基 础、利用量子物理学方法实现密码思想的 一种新型密码体制，与当前普遍使用的以数学为基础的密码体制(以下简称为数学密码)相比，它比数学密码的最大优势是具有可证明安全性和可检测性，这是因为量子密码的安全性是由量子物理学中量子不可克隆性和海森堡的测不准原理来保证的，而不是依靠某些难解的数学问题。由于量子光通信以及量子计算越来越重要，量子密码具有良好的前景。量子密码方案具有无条件安全性和对扰动的可检测性两大主要优势，另外还具有防电磁干扰、抵抗具有超强计算能力的计算系统的攻击。我相信量子密码在信息保护中将发挥重要的作用，潜在着巨大的应用和市场前景。本文探讨了量子密码技术的基本理论与相关技术等问题。关键词：密码技术；量子密码技术；量子物理；量子不可克隆性；测不准原理。学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS2AbstractPassword technology is a core technology in the field of information security, in many areas of todays society has a broad application prospect. The quantum cryptography technology is a new research topic in the area of cryptography, it is to promote the development of cryptography theory development plays a positive role. Quantum cryptography based on cryptography and quantum mechanics with quantum physics method, the password is an idea of a new type of cryptography, and the current commonly used mathematical based cryptosystem (hereinafter referred to as the password for mathematics), compared to it than math password the biggest advantage is to have to prove that security and detection, this is because the security of quantum cryptography is by quantum physics quantum cloning inevitability and Heisenbergs uncertainty principle to ensure that, rather than relying on some hard mathematical problems. Due to the quantum optical communication and quantum computation is more and more important, quantum cryptography has good prospects. Quantum cryptography scheme with unconditional security and the disturbance detection can be two major advantages, it also has anti electromagnetic interference, resistance with super computing power of computing systems. I believe that quantum cryptography will play an important role in information protection, the huge potential application and market prospect. This paper discusses the basic theory of quantum cryptography technology and related technical problems.Key words：Password technology；quantum cryptography technology；quantum physics；quantum cannot be cloned；the uncertainty principle.学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS3目 录摘要 .1ABSTRACT .2第一章 引言 .51.1 密码学概述 .51.1.1 经典密码学 .51.1.2 量子密码学 .51.1.3 经典密码与量子密码的区别 .61.2 国内外研究现状 .61.2.1 我国的量子密码技术的研究 .61.2.2 国外的量子密码技术的研究 .7第二章 量子密码技术的理论基础 .82.1 基础知识 .82.1.1 光子的偏振现象 .82.1.2 量子比特 .82.1.3 量子叠加态 .82.2 量子密码技术的基本原理 .82.2.1Heisenberg 测不准原理 .82.2.2 量子不可克隆定理 .92.2.3 量子态叠加原理 .92.3 常用量子效应 .92.3.1 量子纠缠态 .92.3.2 量子隐形传态(quantum teleportation) .10第三章 量子密码技术 .113.1 量子密钥分配 .113.2 量子密秘共享 .113.3 量子认证 .113.3.1 量子消息认证. .113.3.2 量子身份认证 .123.4 量子密钥分发协议 .123.4.1 BB84 协议 .123.4.2 B92 协议 .143.4.2 E91 协议 .14第四章 量子密码技术的展望 .15学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS44.1 量子密码技术发展前景 .154.2 未来量子密码应用的领域 .164.2.1 军事领域 7 .164.2.2 政府机关 .164.2.3 网络安全 .16第五章 量子密码亟待解决的问题 .175.1 量子密钥分配协议在实验上的改进 .175.2 更纯的单光子源 .175.3 光子检测器的研发 9.175.4 量子传输与现有网络的结合 .18第六章 结束语 .19参考文献 .20致谢 .21学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS5第一章 引言自密码学诞生以来，它的重要基础理论就是数学。这意味着密码学的发展将取决于数学的发展。然而世界是发展的世界，密码学也是发展中的密码学，随着计算机的迅速发展，传统的密码技术已经远远不能满足当今社会的需求。量子力学的出现使得人们看到了密码学的崭新未来，于是量子密码应运而生。从此人们转而发展更加可靠更先进的量子密码，量子密码学的出现也给密码学这个古老学说注入了新鲜的血液。1.1 密码学概述1.1.1 经典密码学人类有记载的通信密码始于公元前 400 年。古希腊人是置换密码的发明者。1881 年世界上的第一个电话保密专利出现。电报、无线电的发明使密码学成为通信领域中不可回避的研究课题。在经典密码学中我们大致可以分为基于字符的密码学和基于数学算法的密码学，无论哪一种都难以逃脱被破解的命运。 1.1.2 量子密码学量子密码学，又称量子密钥分发，是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的，安全的密钥，来加密和解密信息。量子密码的一个最重要的，也是最独特的性质是，如果有第三方试图窃听密码，则通信的双方便会察觉。量子密码学的基本思想最早是由美国人 S.Wiesner 在 1969 年提出的。后来IBM 的 S.H.Bennett 和 Montreal 大学的 G.Brassard 在此基础上提出了量子密码学的概念 1。 学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS6量子密码学的基本思路是利用光子传送密钥信息。量子物理学的理论表明，每个光子都具有一个特定的线偏振特性（无论电场是水平振动还是垂直振动）和一个圆偏振特性（无论电场的方向是左旋还是右旋） 。根据测不准原理，不能同时测定光子的线偏振和圆偏振特性，当精确测定其中一个特性时，必然是另一个特性完全随机化。利用这一特性，发送方和接收方便可以通过公开信道协商任何第三方无法窃听的随机密钥序列。1.1.3 经典密码与量子密码的区别经典密码学是以数学难题为基础，与具体信息载体无关。与经典密码学不同，量子密学是密码学与量子力学相结合的产物，通常把通信双方以量子态为信息载体、利用量子力学原理、通过量子信道传输、在保密通信双方之间建立共享密钥的方法，称为量子密钥分配，其安全性是由量子力学中的“海森堡测不准原理”及“量子非克隆原理”或纠缠粒子的相干性和非定域性等量子特性来保证的 2。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。1.2 国内外研究现状1.2.1 我国的量子密码技术的研究我国在量子密码术方面的研究起步比较晚。1995 年，中科院首次以 BB84协议方案在国内作了演示实验，系统误码率只有 6%。到了 2005 年潘建伟教授等通过实验在国际上首次证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后纠缠的特性仍然能够保持并可应用于高效安全的量子通信 3。2005 年，郭光灿院士领导的课题小组，实现了从北京到天津的量子密钥分配，实际光缆长度为 125 公里，误差率低于 6%，这是国际上公开的最长距离的学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS7实用光纤量子密码系统。在 2009 年的国庆大阅兵中，我国又实现了从中南海到天门的量子通信。1.2.2 国外的量子密码技术的研究1989 年，贝内特和布拉萨以及他们的研究团队完成了量子密码的第一个演示性实验 4。1999 年，瑞典和日本合作在光纤中成功的进行了 40 公里的量子密码通信实验。2000 年，美国阿拉莫斯实验室在自由空间中使用 QKD 系统，传输距离为1.6 公里。2003 年美国国家标准与技术研究所和波士顿大学的科研人员研制出一种能探测到单脉冲光的探测器，它将误测或漏测率几乎减少到零。2004 年世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。这套网络目前拥有 6 个节点，主要通过普通光纤来传输采用量子密码术加密的数据。与现有因特网技术完全兼容。网络传输距离约为 10 公里。日本研究人员用防盗量子密码技术传送信息获得成功!其传递距离长度可达87 公里。打破了美国洛杉矶国立研究所创造的 48 公里的记录。这次之所以能把通信距离延长，关键因素之一是改良了检测光子元件。学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS8第二章 量子密码技术的理论基础2.1 基础知识2.1.1 光子的偏振现象每个光子都有一个偏振方向，其偏振方向即是电场震荡方向，且光子的线偏振和圆偏振不可同时测量。在同一种偏振态下两个不同的方向是完全可以区分的，如在线偏振态中的水平和垂直方向可完全区分，因而可以同时测量。2.1.2 量子比特比特（bit）是经典计算和经典信息的基本概念，量子计算与量子信息建立在类似的概念-量子比特（quantum bit 或 qubit）的基础上。就像经典比特有一个状态：0 或 1，量子比特也有一个状态：0 或 1 。记号“ ”称为 Dirac 记号，在量子力学中表示状态。2.1.3 量子叠加态量子比特与比特的区别是：量子比特的状态可以落在 0 和 1 之外，量子比特可以是状态的线性组合，常称为叠加态。2.2 量子密码技术的基本原理2.2.1Heisenberg 测不准原理对一组物理量的精确测量必然同时导致另一组物理量的完全不确定，即量子力学基本原理Heisenberg 测不准原理。 由测不准原理可知，对任何一个物理量的测量都不可避免地产生对另一物理量的干扰。这就使得通信双方能够检测到信息是否被窃听，这一性质将使通信双方无须事先交换密钥即可进行绝密通信。 学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS92.2.2 量子不可克隆定理通过“海森堡测不准原理” ，我们很自然就会想到，我们在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就必须要先作测量，而测量必然改变量子的状