摘要自从1992年量子密钥分发演示试验的成功以来量子密码术得到

1、摘 要自从1992年量子密钥分发演示试验的成功以来，量子密码术得到人们越来越多的关注，并在近年来得到迅速的发展，针对原有各类密码体制在安全性方面所存在的缺陷，基于量子理学的测不准原理和不可克隆原理为依据的量子密码术，在理论上达到了绝对的安全，并以此优点，将很快在网络通信上得到广泛的应用。量子密钥分发系统总体上可分为准单光子源的系统和纠缠光子源的系统，截至1992年为止，所提出的量子密钥分发协议共有三种，包括应用于准单光子源系统的利用偏振光进行量子密钥分发的BB84协议，和使用两个非正交量子态来实现密钥分发的B92协议；以及应用于纠缠光子源系统的利用两个粒子纠缠态进行密钥分发的E91协议。本文对

2、国际上量子保密通信的研究进行了概述和分析；分类介绍了几种具有代表性的量子保密通信系统，包括准单光子源的实验系统和纠缠光子源的系统；分析、比较了各种系统的优缺点。其中，准单光子源的实验系统又可分为偏振编码实验系统和相位编码实验系统，而纠缠光子源的实验系统又可分为偏振编码系统、相位编码系统和明亮EPR纠缠光束的偏振编码系统。另外再基于原有系统的基础上，针对各类系统的缺点，介绍一些相应的改良系统并分析其优点。最后，我们还搜集了一些新型的系统，包括相位偏振编码的量子保密通信系统、差分相移键控协议的双向量子密钥分发系统、时间和相位混合编码的量子密钥分发系统以及条件参量下转换光子对的非正交编码诱惑态量子密

3、钥分发系统，分析各系统的优点；同时还指出了未来量子保密通信系统的发展方向。关键词 量子保密通信 单光子源 纠缠光子源 偏振编码 相位编码 目 录1 前言12 准单光子源的实验系统12.1 偏振编码实验系统12.1.1 光电开关实现偏振编码的实验系统22.1.2 四个激光源实现偏振编码的实验系统32.1.3 偏振稳定控制下的实验系统32.2 相位编码实验系统52.2.1 利用Mach-Zehnder干涉仪实现相位编码的实验系统52.2.2 “即插即用”编码系统62.2.3 相位编码改进系统73 纠缠光子源实验系统123.1 偏振编码系统133.2 相位编码系统133.3 明亮EPR纠缠光束的偏振

4、编码系统133.4 新型纠缠光子源实验系统143.4.1 基于超纠缠交换的量子密钥分发系统144 其它新型实验系统154.1 相位偏振编码的量子保密通信系统154.2 基于差分相移键控协议的双向量子密钥分发系统164.3 时间和相位混合编码的量子密钥分发系统174.4 基于条件参量下转换光子对的非正交编码诱惑态量子密钥分发系统185 结语19致 谢21参 考 文 献22Abstract231 前言量子保密通信1是近年发展起来的一种绝对安全的密钥分发技术，其安全性以量子理学的测不准原理和不可克隆原理为依据，即在异地共用相同的光子产生密钥，密钥产生过程中的窃听在密钥产生事前即被发现，相比于各类传统

5、密钥体制而言，理论上可以证明是绝对安全的。自从1992年量子密钥分发演示试验的成功以来。各类实验系统在实验室相继采用，有基于BB842协议和B922协议对单光子源的要求采用的以微弱光为实际光源的实验系统，有基于EPR2协议采用的以纠缠光子源为实际光源的实验系统。目前研究处于国际领先水平的国家，如美国、英国、瑞士，已经逐步走向应用。如美国2000年在自由空间使用量子保密通信系统成功实现传输距离1.6km，英国BT实验室已在常规光缆线路上实现量子保密通信距离达55km，瑞士日内瓦大学成功建立量子密钥分发系统跨湖传输长达23km。目前，量子保密通信距离已超过100km。在瑞士、美国，量子保密通信系统

6、已经商品化。在中国，量子密码通信的研究起步较晚，但通过自身不懈努力，以及与国际领先水平国家的合作，取得了不错的成绩，如2007年国际上首个量子密码通信网络由我国科学家在北京测试运行成功，这是迄今为止国际公开报道的唯一无中转、可同时、任意互通的量子密码通信网络，实现了150km的室内量子密钥分配3。本文着重介绍采用单光子源实验系统和纠缠光子源实验系统以，以及相应的系统改善，并介绍一些新的实验系统，分析各种系统的优缺点。2 准单光子源的实验系统目前真正的单光子源在实验上很难实现。在实际实验系统中往往利用强衰减的激光脉冲来代替理论上的单光子，即经过强衰减系统使输出光每脉冲平均光子数为0.1，在此条件

7、下，就可认为在光路中传输的是单光子脉冲。利用单光子源的实验系统一般采用两种编码方式：偏振编码和相位编码。偏振编码系统的优势在于结构简单、易于理解。齐缺点在于由于光纤的色散使光的偏振状态在传输过程中很难保持以致于造成误码。并且由于双折射的影响，其传输距离受到很大的限制。而相位编码系统的优点在于相位调制器的响应速度快，可实现快速编码，并且比较好地解决了双折射的问题，从而增加了传输距离。其缺点在于光在传输过程中其相位易发生漂移。下面从原理上分别介绍这两种实验系统以及其优缺点，并介绍现有对两种系统的相应改进。2.1 偏振编码实验系统 这里主要介绍三种使用偏振编码的实验系统：用光电开关实现偏振编码的实验

8、系统，用四个激光源实现偏振编码的实验系统，以及偏振稳定控制下的实验系统。2.1.1 光电开关实现偏振编码的实验系统4图1 光电开关实现偏振编码的实验系统图2 光电开关实现偏振编码的改进实验系统 图1所示系统是利用BB84协议的编码系统，图中有Alice方（信号发送方）经Laser发出的光脉冲经过衰减得到但光子脉冲进入CP（圆起偏器）变为圆偏振光，在经过e.o.switch（光电开关）进入四个polarizers（起偏器）可随机获得四种不同偏振方向的单光子(0、45、90、135)。由Coupler（耦合器）、PC（偏振控制器）和后面的e.o.switch及45rotator（旋转器）共同用来选

9、择Bob的探测基。即Alice发送的偏振方向随机的单光子进入Bob方（信号接收方）后通过e.o.switch可能走上面的路径经过45rotator改变偏振态进入PBS（偏振分束器），也可能走下面路径进入PBS而被单光子探测器D1或D2探测到。这里上面路径相当于Bob选择了测量基“”进行测量，下面路径相当于Bob选择了测量基“”进行测量，然后Bob向Alice公布选择的测量基，Alice再告诉Bob哪些测量基选择正确，最后根据双方协议就可得到密钥。由于此系统所采用的e.o.switch的响应频率达几兆赫兹，使编码速度有所提高。此系统经过改进后变为图2所示系统，采用了B92的编码方式，由原来的四态

10、编码变为现在的两态编码，使系统变得简单、经济、可行。从图1和图2中可比较看出Alice方只需两只polarizer就代替了原来的四只，Bob方只用两只普通的coupler就代替了原来的两只e.o.switch、45rotator以及PBS。这不仅大大简化了实验装置，而且节省了许多价格昂贵的器件，而使实验变得更加经济可行，但缺点是编码速度比原来降低了一半。2.1.2 四个激光源实现偏振编码的实验系统4图3 四个激光源实现偏振编码的实验系统此系统也是利用BB84协议的编码系统，由图3可见Alice用四个激光源可以发送一串偏振方向随机选定的光脉冲（可能是0、45、90、135）经过PC（偏振控制器）

11、、Att后称为单光子进入Bob方，经过BS（分束偶合器）随机选择走上面路径或下面路径进入PBS（偏振分束器），后杯单光子探测器D1、D2、D3、D4的某一个探测到。相当于Bob随机选择了测量基“”（上面路径）或测量基“”（下面路径）进行测量，然后Bob向Alice公布选择的测量基，Alice再告诉Bob哪些测量基选择正确，最后根据双方协议即可得到密钥。这种通过调节四个激光器的开关（开关时间可达10ns）进行调制的方法大大提高了编码速度，比图1所示系统的编码速度提高了100倍左右。其缺点在于必须使用四个完全一样的激光器，否则很容易倍窃听，切使用了较多的激光器、偏振分束器及探测器，使系统造价较高。

12、2.1.3 偏振稳定控制下的实验系统5具有偏振反馈控制功能的实验系统如图4所示，整个实验过程通过计算机程序控制，并通过定义两个阈值，在通信双方的控制程序中准备两套运行状态“通讯”状态和“偏振控制”状态，通过相应单光子探测器的计数所购成两个斯托克斯参数分别与两个阈值的比较，控制通信系统在两种运行状态之间切换。图4 偏振控制下的实验系统图5 偏振态的邦加球表示整个实验流程如下：当通信双方准备完毕后，将各自的运行状态设定到“通讯”状态，由Bob通过局域网向Alice发出通信请求，Alice收到请求后开始准备随机码并通过数据采集卡给LD提供驱动信号，并将光开关(OSW)跳转到Attn1位置，Bob端知

13、采集D0，D1的数据，并保存为一个比特序列。当N（N通过程序设定）组数据采集完成后，转入“偏振控制”状态，Bob向Alice发出“偏振检测”请求，Alice接到请求后，固定的触发LD2（即由0和1组成的随机信号改为全1信号），因此信号光的初始偏振态为确定的H方向（如图5所示），同时光开关跳转到Attn2通道。Bob端将D0，D1，D2，D3四个探测器的计数送入计算机，通过程序计算斯托克斯参量，并与设定阈值进行比较，如果S1T1, |S2|T2，那么说明偏振态依然较好地保持在H方向，则Bob再次向Alice发出状态转换请求，程序转为“通讯”状态，量子密钥分发继续进行；如果S1T2，那么Bob通过

14、偏振偏移量（即S和T的差量）的大小提供两个反馈信号，由数据采集卡输出两个模拟电压信号，经过电压放大以后，分别控制偏振控制器的两个压电陶瓷挤压光纤，实现偏振方向绕X1、X2旋转（如图5），同时程序对偏振变化情况进行实时监测，当S1T1, |S2|+|)/2，然后|、|循环一周后又回到耦合器相遇，相位调制器PM1、PM2分别对态|、|调制，在耦合器处干涉就决定了最后光子是从端口1、端口2出来。这样就组成了一个编码解码系统，能完成量子密钥分发实验，此实验系统使从分束器出来的处于叠加态的光子走的路径完全一样，解决了因外界影响导致的相对相位的改变，从而在耦合器处能产生稳定不受外界影响的干涉。(2)长距离

15、长期稳定的量子密钥分发系统6如图10所示，整个系统架设在一个1.5m3m的光学平台之上，并使用两台计算机分别作为Alice和Bob控制端。在密钥交换过程中，首先由Alice通过局域网向Bob发出密钥交换请求，待Bob设备准备就绪便开始密钥交换。Bob发出起始信号触发单片机80C51产生512个频率为1.972kHz的时钟脉冲，通过精确的延时控制，A、B、C、D四路时钟信号准确地控制DFB，PMA，PMB，D1和D2工作。当密钥交换完512个周期后，USB2.0的FIFO中的数据便传送入计算机，Bob获得PMB，D1和D2三组信息，而Alice获得PMA的信息，Bob根据事先双方协定好的B92协

16、议筛选密钥，并将有效密钥的次序通过通信电缆传给Alice，一次密钥交换结束。该系统利用往复光路补偿相位偏移和偏振抖动的原理，结构简单、稳定且干涉对比度高。由于系统采用结电容平衡魔T网络耦合的单光子探测技术，有效厄了短门脉冲模式的雪崩光电二极管结电容尖峰噪声影响，单光子探测效率大于5%，单脉冲暗计数(Pdark)低于310-6；在同步控制方面，系统采取单片机与550s且精度达到纳秒量级的时钟信号控制模块，并且采取偏振无关以及稳定偏振态的相位偏码解码方法，干涉对比度达99.6%；系统开发了通用串行总线2.0(USB2.0)数据采集模块，不仅采集速率高，而且使用简便，即插即用。图10 长距离长期稳定

17、的量子密钥分发系统(3)双偏振分束器的量子密钥分发系统7此系统为利用Mach-Zehnder干涉仪实现相位编码实验系统的改良系统，如图11所示，Bob先给Alice发送一个短激光脉冲，来初始化传输过程。经环形器到达X形耦合器的光脉冲被分为两路，分别经M-Z干涉仪的短臂（图中上臂）P1和长臂（图中下臂）P2到达偏振分束/耦合器1的输入口Port B1、Port B2后径直向Alice传播，长臂与短臂的差就使两路光相互之间有了一定的时间延迟，实现了时分复用，光脉冲P1，P2经干线、Y形耦合器、偏振控制器4和衰减器到偏振分束/耦合器2，分别从偏振分束/耦合器2的输出口Port A1，Port A2输

18、出并且分别沿着顺时针方向与逆时针方向在Sagnac环中传播。Alice为了给她的比特编码，使用相位调制器2只调制光脉冲P1的相位。Bob使用另一个相位调制器1只对P2进行调制，然后观察P1与P2的干涉结果，并通过单光子探测器D1，D2进行探测。如果Alice和Bob各自的相位调制器都没打开，那么干涉结果为干涉（两个脉冲经过了完全相同的路径）即A-B=0,其中A和B分别为Alice和Bob引入的总的相移，此时单光子探测器D1有计数。如果Alice和Bob改变了干涉脉冲之间的相位，即A-B=，则干涉结果将变为相消干涉，单光子探测器D2有计数。相关的相位调制了D1，D2处的光强，可以用来从Alice

19、向Bob传送信息。这套装置的第一特性是干涉仪自动调整的；第二个特性是利用Lefever光纤偏振控制器的可逆性工作特点，解决了铌酸锂波导式相位调制器的偏振相关性以及偏振相关损耗的问题。图11 双偏振分束器的俩你个子密钥分发系统(4)高稳定的差分相位编码密钥分发系统8在差分相位调制QKD方案中，Bob端允许脉冲串全部通过，脉冲的透明传输使协议效率得到了最大限度的提高，但脉冲个数和干涉模式的确定性也给窃听者的窃听带来了方便，给系统安全性带来了隐患。为了搭建既高效又安全的差分相位调制QKD系统，我们在Bob端采用了窄门控技术，采用多模式的脉冲传输来提高系统的安全性，系统如图12所示。Bob端采用如图1

20、3所示的四种方案选择性地开启门控装置。方案(1)中允许四个脉冲全部通过，方案(2)(4)选择性地允许相邻脉冲通过，Bob端随机采用以上四种方案，抗窃听能力得到了提高，增强了系统的安全性。图12 高稳定的差分相位编码系统图13 Bob端的门控方案与基本协议不同的是，Alice和Bob间事先有一个绝对安全的密码本，规定了Bob端如何选择开启门的方案。Bob端选用方案(1)时，将告知Alice探测器探测到光子的时刻；在选用方案(2)(4)时，Bob只要告知Alice是否探测到光子的时刻，Alice结合规定的方案次序和Bob的探测结果，就知道哪个探测器响应，Alice和Bob双方就获得一致的密码本序列

21、。差分相位编码QKD系统适合在光纤中实现，比传统的方案更高效，能实现更长距离的通信。差分相位编码QKD方案的信息是靠相邻脉冲的相位共同决定的，这样就降低了窃听者的成功概率和窃听信息量，增强了QKD系统的安全性，这里提出的改进的差分相位编码量子密钥分发QKD系统，不但具有上述的优势，而且以双FM干涉仪代替MZ干涉仪，并证明它可以主动补偿光纤传输中的随机双折射效应和极化相关损耗，消除偏振衰落现象，系统的稳定性得到了提高。窄脉冲门控技术的采用使得脉冲数目和干涉模式实现了多样化，一定程度上改善了系统的安全性，是一种实用的长距离量子光通信系统(5)稳定的低噪声自由空间量子密钥分配系统9此系统为利用M-Z

22、干涉仪实现相位编码实验系统的改良系统，Bob端采用双FM干涉仪代替传统的M-Z干涉仪，实验系统框图如图14所示。量子密钥分配过程为：1)Alice通过网络平台和Bob握手，并指令ARM启动QKD程序；2)Bob端的探测器从第二个脉冲时刻处开始有响应，这样，Bob记录下每个脉冲时刻哪个探测器（D1或D2）发生响应；3)Bob告诉Alice探测器有效响应（只有一个探测器有响应称为有效响应，其他情况，如两个探测器都有响应或都没有响应则做丢弃处理）的时刻；4)从以上信息以及PM2的调制数据，Alice就可知道每个脉冲时刻Bob端究竟是哪个探测器发生响应；5)假设探测器D1发生响应代表“0”，而探测器D

23、2发生响应代表“1”，这样，Alice和Bob就拥有了一组可以作为密钥的字符串。显然，整个量子密钥分配过程中，Alice和Bob只是向外公布了一系列时刻数据，最后生成的字符串信息并没有泄露给外界。图14 自由空间差分密钥分发实验系统实验采用偏振短脉冲差分方案在1.55m波段上完成了自由空间量子密钥分配。用双FM反射镜干涉仪作差分接收可以补偿振动引起的偏振漂移。偏振传送/偏振接收的方式可以有效降低阳光背景噪声。实验表明该系统稳定性好，采用纳秒级脉冲和单光子探测器门控技术可减少背景噪声，有很好的应用前景。(6)基于随机相位编码的确定性量子密钥分配系统10如图15所示，PM为相位调制器，D1，D2为

24、单光子探测器，Att为衰减器，M1，M2为反射镜。首先，Bob随机选择对量子比特|0进行相位调制，将|1=U()|0发送给Alice。Alice收到Bob发送过来的量子比特，使其通过不等臂的M-Z干涉仪，并在长臂随机对其进行相位编码，调相代表发送比特1，调相0代表发送比特0，也即|2U(/0)|1U(/)|0，并将其发送回给Bob。Bob同样在自己的不等臂M-Z干涉仪，对返回的量子比特进行-的相位调制，其结果为|3=U(-)|2U(/0)|0，在理想情况下，两个探测器会得到确定的响应，Alice调相0，探测器1响应，代表比特0；反之，探测器2响应，代表比特1。使用随机的相位调制发送信号，不断重

25、复上述过程，Alice和Bob就会获得一致的秘密比特串。由于信道噪声，探测器的暗计数等客观因素，以及Eve存在的可能性，Alice和Bob各自拥有的两份量子比特序列并不完全一致。为了确保获得可作为密钥所需的一致的安全比特串，后续的步骤为误码调解，秘密放大，又或者应用经典密码学中验证数据完整性的方法，采用单向的hash函数。本实验系统中，通信双方不需要公布测量基的选择，也不需要丢弃测量基不匹配的量子比特，大大提高了量子密钥分配的效率；由于编码过程是随机的，即便窃听者截获量子比特，也无法获得关于相位调制的信息，提高了通信的保密性；同时，本系统还具有抗干扰能力强，极限传输距离远的优点，结构简单，易于

26、实现。图15 随机相位编码的确定性QKD系统3 纠缠光子源实验系统基于纠缠光子对编码的原理首先是Ekert在1991年提出的，与基于单光子编码的原理相比其优点有：(1)除去了控脉冲的影响。这是因为在探测器探测到光子的时候另一探测器也探测到其伴随光子；(2)由于不同光子对之间没有联系，即便在光路中存在多个纠缠光子对，窃听者也不能提高窃听信息量。以下将简单介绍几种基于纠缠光子编码的实验系统，以及相应的改良系统，并分析其特点。3.1 偏振编码系统4图16中，PR为偏振旋转器，PBS为偏振分束器，APD为单光子探测器。偏振编码系统的优点是简单搞笑，容易获得较高的对比度，缺点在于偏振模色散使其不能在光纤

27、中远距离编码。图16 用纠缠光子对的偏振编码系统3.2 相位编码系统4图17中，PM为相位调制器，通过调整相位，可以编码。利用Alice方的单光子探测器与Bob方的单光子探测器的复合计数来编码。图17 用纠缠光子对的相位编码系统3.3 明亮EPR纠缠光束的偏振编码系统41994年，Vaidman从理论上提出了连续变量的量子离物传态概念，1998年J.Kimble实验室利用两个相位相干的正交压缩光，在50/50分束器上耦合构成一对连续变量的EPR纠缠态，在实验上实现了连续变量的量子离物传态。继后，T.C.Ralph 和山西大学光电所先后提出利用明亮压缩光去实现量子离物传态和量子密集编码的理论方案

28、，下面介绍的是利用明亮EPR光束和Bell-state的直接测量方法，实现正交振幅和相位信号同时低于散粒噪声极限的测量。装置原理图如图18所示。图18中，Alice 把经典振幅和相位信号通过AM(振幅调制器)和BM(相位调制器)调制到EPR光束的一半上，那么EPR光束c中就携带了经典信号的信息。因为EPR光束c和d在正交振幅和相位分量上具有很大的噪声，在理想情况下，经典信号在EPR光束c上的信噪比趋于0。即除Bob外任何人不可能从EPR光束c上得到被传输的经典信号，因为它淹没在巨大的噪声中，因此量子密集编码具有保密性强的特点，Bob在EPR光束d的帮助下通过BS(分束器)与携带信号的EPR光束

29、c耦合，把要传送的信号解调出来。D1、D2是单光子探测器。图18 用EPR实现量子密集编码实验系统3.4 新型纠缠光子源实验系统3.4.1 基于超纠缠交换的量子密钥分发系统11图19 超纠缠光子对的产生装置和Alice的局部操作纠缠交换的概念是有Zukowski等首先引入的，并且与1998年，由潘建伟等在实验中加以实现。光子对AB与光子对CD分别处于纠缠态（设为Bell态），对光子B和光子C作Bell基测量，结果回事光子A和光子D这两个没有发生相互作用的光子产生纠缠，这就是纠缠交换的过程。超纠缠是多粒子多难度的纠缠，例如下面介绍的系统用到的路径极化纠缠光子对，它们的空间（路径）自由度处于纠缠状

30、态的同时，极化自由度也处于纠缠状态，这时对一个光子的路径和极化自由度进行Bell基测量，会使得另一光子的路径极化状态发生变化，这就是超纠缠交换的含义。在该实验系统中，使用基于两光子的路径极化超纠缠，这是一个(2222)维的态，其产生装置如图19中阴影部分所示，Alice对她的光子进行局部操作，再对她手中的光子进行路径极化纠缠测量，测量装置如图20所示。Bob端也使用图19所示的测量装置对他的光子 进行Bell测量重复密钥分发过程直至通信双方建立起所需密钥为止。该系统利用一对光子就可以产生2bit确定密钥和2bit随机密钥，相对于基于双纠缠对的分发方法，效率大大提高。图20 Bell基变换和测量

31、装置4 其它新型实验系统由于上述各种实验系统存在的不足，为了提高量子保密通信系统的各方面性能，人们相继开发了各种新型的实验系统，下面将介绍四种新型的实验系统，并分析其特点。4.1 相位偏振编码的量子保密通信系统12基于位相调制偏振态的四态量子保密通信系统由一个四态量子编码器、一个四态量子解码器和传输光纤组成，其结构如图21所示。首先，Alice用随机发生器产生0，V0/2，V0，3 V0/2四种电压（V0为位相调制器的半波电压），位相调制器分别产生0，/2，3/2的相位变化，四态量子编码器的输出光的偏振态分别为45线偏振、右旋圆偏振、135线偏振、左旋圆偏振，同时，Bob用随机发生器产生0，V

32、0/2，V0，3 V0/2四种电压，则四态量子编码器可以分别产生45线偏振、右旋圆偏振、135线偏振、左旋圆偏振等四种非正交偏振态测量基，对Alice发送的光子的偏振态进行检测，然后，Alice和Bob共同约定：以(0，/2)代表二进制的0，以(，3/2)代表二进制的1，最后，Alice和Bob通过比对测量基后就可以产生共同的密钥。这种用“相位调制/偏振编码/偏振检测”的编码方式，避免了因时分复用技术导致信息丢失了一半的问题，从而使效率提高了一倍，有利于提高传输距离；可以实现精确的相位补偿，准确恢复光子原来的偏振态，从而有效地降低误码率；同时还可以对光的偏振态进行精确补偿，从而有效地降低误码率

33、。图21 相位偏振编码的量子保密通信系统4.2 基于差分相移键控协议的双向量子密钥分发系统13图22 双向量子密钥分配系统双向量子密钥分配系统如图22所示。在BB84协议中，Alice给Bob发送单光子，随机调制到两种极化基上，Bob用一个随机选择的极化基来测量接收到的单光子的极化状态。B92协议是BB84协议双光子派生出来的协议，在B92协议中，Alice和Bob每个都共享一个纠缠光子对中的一个光子。基于这两种协议的系统在小误码率时，通信速率随量子信道的传输线性减小而减小。差分相移键控(DPSK)协议则与BB84协议、B92协议不同，它采用很多含有脉冲的非正交基，其原理为：所有的脉冲都经过强

34、烈衰减，并在(0，)之间随机进行相位调制，其组成图如图23所示。在接收端，Bob通过它的干涉仪随机调制延迟时间NT，它的干涉仪随机选择一个正整数N，其中T始终是频率的倒数。在穿过Bob的干涉仪之后，脉冲在Bob输出端的分光器上进行干涉，探测器是否反应取决于分隔时间NT的两个脉冲的相位差。Bob在探测到光子并随机选择正整数N的时候进行公共广播。从他的调制信息Alice知道哪个探测器记录了信息，这样他们通过分配器给探测器一个比特值来形成密钥。该系统的优点是具有超过200km的通信距离并且有较高的通信速率。图23 DPSK协议组成图4.3 时间和相位混合编码的量子密钥分发系统14时间和相位混合编码的

35、量子密钥分发系统是在Mach-Zehnder相位编码系统的基础上，同时再对原来相位编码方案中舍弃的未发生干涉的两个脉冲进行时间编码，系统结构如图24所示。其中时间编码密钥分发过程为：(1)Alice发出持续时间为t的矩形脉冲，对每个脉冲随机地延迟0或t/2，Alice记录所发脉冲的时刻和具体时间。(2)脉冲经过两个干涉仪后，没发生干涉的两个脉冲在时间(0，t/2)窗口探测到光子时记为比特“0”，在时间(t，3t/2)窗口探测光子时记为比特“1”。 (3)Bob告诉Alice他何时探测到光子，但不公布记录结果，Alice告诉Bob哪些时刻是正确的，舍弃其他不正确的结果。另外，相位编码密钥分发过程

36、为：(1)脉冲计入Alice端的干涉仪时，Alice选用两组正交基0, 和/2,3/2中的任一相位对脉冲进行调制，Alice记录调制使用的每组基及具体的调制相位。(2)脉冲到达Bob端干涉仪时，Bob随机地选择0或/2调制脉冲，Bob记录具体的调制相位。(3)Bob端用探测器D0和D1探测经过两干涉仪的脉冲，按探测器D0响应而D1不响应记为比特“0”，反之记为比特“1”方式生成密钥。(4)Bob通过公开信道告诉Alice他所调制的相位，但不公布探测器的结果，Alice告诉Bob哪些结果的基相匹配，舍弃基不匹配时对应的结果。最后按如下步骤处理数据：第一步，Alice和Bob通过公开信道交换部分数

37、据，检查误码率的大小以检查通信是否被窃听；第二步，通过纠错运算及秘密放大使窃听者得到的信息量尽可能小。图24 混合编码QKD系统此系统中，脉冲同时携带两种信息，加大了窃听的难度，并且成码率是原相位系统的两倍，系统编码时使用了时间信息，受环境变化的影响较小，稳定性较强，系统在通信双方使用精确的时间同步，降低了暗计数的影响。4.4 基于条件参量下转换光子对的非正交编码诱惑态量子密钥分发系统15单色抽运光子流和量子真空噪声对非中心对称非线性晶体的综合作用，导致了在光的自发参量下转换过程中，一个高频光子在非线性晶体内会以某一概率自发分裂为两个低频光子，分别称为信号光子和闲置光子，合称自发参量下转化(S

38、PDC)光子对。此系统是基于该光源为前提的，如图25所示信号光和闲置光几乎是同时产生的，具有相同的性质。在理想状态下，发送方Alice随机地调节抽运光的强度实现随机地发出各种强度的信号光（强度为的信号态（强度为1，2，3，m）的诱惑态），同时Alice用门限探测器探测与信号光成对的闲置光中的光子数来预报信号光的光子数，当探测到光子时开启接收端即Bob端的探测器，Alice和Bob对信号态和各种诱惑态编码的解码实现QKD，这里采用了非正交编码SAG04协议，双光子也能产生密钥进一步塔高系统的安全性。当QKD完毕后，Alice告诉Bob信号态和诱惑态的分布情况，由探测结果计算出信号态和诱惑态的计数

39、率Q，Q1，Q2，Q3，Qm及量子误码率E，E1，E2，E3，Em。然后Alice和Bob根据信号态和诱惑态的计数率及量子误码率计算出单光子和双光子的计数率Y1，Y2和量子误码率e1，e2。最后与理论值比较判断是否正常，不正常则放弃本次通信，正常则进一步纠错及保密放大提取密钥。由于QKD采用的信号态的强度一般很小，脉冲中光子数n5的概率的数量级为10-9远小于暗计数Y0（数量级为10-6）故可忽略，所以只需少量的诱惑态就足够了。图25 Alice端SPDC产生光子对示意图该系统有以下特点：1)诱惑态量子密钥分发较非诱惑态量子密钥分发能够更好地估算出单光子的计数率和量子误码率，提高了安全密钥产生

40、率和安全通信距离；2)在相同安全条件下采用非正交编码协议的信号态脉冲强度比BB84强，提高了安全密钥产生率；3)与普通衰减光源相比，利用参量下转换光子对中的闲置光去预报信号光的光子数情况可以大大减小长距离传输过程暗计数的影响，进而增大安全密钥传输距离；4)用泊松分布的参量下转换光子对作为信号光可以提高密钥产生率。5 结语量子密码术是近年来国际学术界的一个前沿研究热点。面对未来具有超级计算能力的量子计算机，现行基于解自然对数及因子分解难度的加密系统、数字签名及密码协议都将变得不安全，而量子密码术则可达到经典密码学所无法达到的两个最终目的：一是合法的通信双方可察觉潜在的窃听者并采取相应的措施；二是

41、使窃听者无法破解量子密码，无论企图破解者有多么强大的计算能力。可以说，量子密码是保障未来网络通信安全的一种重要技术。随着对量子密码体制研究的进一步深入，通过对原有系统的不断改良，越来越多的方案被提出来，近年来无论在理论上还是在实验上都在不断取得重要突破，量子密码术迅速发展，相信在不久的将来，量子密码将会在网络通信上得到广泛的应用。我们即将进入到一个量子信息时代。致 谢本论文在李凌燕导师的指导下得以顺利完成，这里特别要感谢帮助我完成论文的李老师。她宽厚的为人、渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的洞察力及忘我的敬业精神使我倍受感染、受益无穷。在此，首先向她表示最崇高的敬意和最诚挚的感谢!其次也要感谢

42、理学院的所有老师，是他们的平时的辛勤教学使我积累足够的理论知识，得以有能力来完成本次论文。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，再一次向帮助过我，关心过我的人表示由衷的感谢！参 考 文 献1 Gisin N, Ribordy G, Tittel W et al. Quantum cryptographyJ. Rev. Mo. Phys. 2002, 74: 145-1952 佐川宏幸, 吉田宣章. 量子信息论. 大连: 大连理工大学出版社, 2007. 119-1293 4 李凌燕, 梁瑞生, 唐志列等. 量子保密通信系统的分析与研究. 华南师范大学科研论文, 2004, 125

43、 陈杰, 黎遥, 吴光等. 偏振稳定控制下的量子密钥分发. 物理学报. 2007, 56(9): 5243-52476 吴光, 周春源, 陈修亮等. 长距离长期稳定的量子密钥分发系统. 物理学报. 2005, 54(8): 3622-36267 马海强, 李亚玲, 赵环等. 基于双偏振分束器的量子密钥分发系统. 物理学报. 2005, 54(11): 5014-50178 李明明, 王发强, 路轶群等. 高稳定的差分相位编码量子密钥分发系统. 物理学报. 2006, 55(9): 4642-46469 王金东, 路巍, 赵峰等. 稳定的低噪声自由空间量子密钥分配实验研究. 物理学报. 2008

44、, 57(7): 4214-421810 林青群, 王发强, 米景隆等. 基于随机相位编码的确定性量子密钥分配. 物理学报. 2007, 56(10): 5796-580111 冯发勇, 张强. 基于超纠缠交换的量子密钥分发. 物理学报. 2007, 56(4): 1924-192712 唐列志, 李铭, 魏正军等. 相位-偏振编码的量子保密信系统的研究. 物理学报. 2005, 54(6): 2534-253913 焦荣珍, 冯晨旭. 基于差分相移键控协议的双向量子密钥分配系统研究. 物理学报. 2008, 57(2): 685-68814 张静, 王发强, 赵峰等. 时间和相位混合编码的量

45、子密钥分发方案. 物理学报. 2008, 57(8): 4941-494615 胡华鹏, 王金东, 黄宇娴等. 基于条件参量下转换光子对的非正交编码诱惑态量子密钥分发. 物理学报. 2010, 59(1): 287-292Key Distribution of Quantum Cryptography CommunicationHu Zhifeng(College of Science, South China Agricultural University Guangzhou 510642,China)Abstract: Quantum Cryptography has gained mor

46、e concerns and momentum these years ever since the success of the Quantum Key Distribution demonstrative experiment. Aiming at the security defects of existing cryptosystems, Quantum Cryptography, which is based on the Uncertainty Principle and Non-clone Principle, is completely safe theoretically.

47、With the above-mentioned advantage, Quantum Cryptography will be widely used in Networking Communication.Quantum Key Distribution system generally consists of subsingle-photon source system and entangled photon source system. By the year of 1992, three types of Quantum Key Distribution Protocals have been published, including the BB84 Protocal which is applied in the subsingle-photon system and the key distribution is accomplished through polarized light; B92 Protocal, which is applied i