基本信息
- 项目名称：
- 量子密钥分配的研究及其经典仿真
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 实用的量子密钥分配仿真是最新的研究领域。本文进行了三项量子仿真研究：BB84协议仿真；发送设备不理想的仿真；诱骗态方案仿真。仿真模拟了光子偏振发送器等量子器件。同时研究了数据协调的两种方法，得出各自适用范围。 本文的仿真工作为攀登量子仿真之峰铺设了台阶，指引了方向，还可指导量子信息仪器设备的参数设置，促进量子密钥分配的进一步实用化。
- 详细介绍：
- 量子技术以超快速计算和绝对安全通信为特征，是未来百年经济发展的技术关键。量子信息处理是非常复杂的系统，实验处理的仪器设备基数在数百万到数千万之间，实际操作中一个都不能有错，因此仿真起着至关重要的作用。 相比实验的高昂经费，经典计算机仿真是更普遍的研究方法，也是量子密码通信研究的一种重要方法。本文对量子密钥分配进行仿真研究，具体工作是在振幅衰减信道中仿真BB84协议，计算其安全码率，并与Vittorio Giovannetti和Rosario Fazio给出振幅衰减信道的保密信道容量相比较，结果基本符合。在纠错过程中，使用并比较二分法和级联法的不同，得到了各自的适用范围。考虑到偏振片的偏振方向非理想，本文仿真了偏振片偏移5度，10度，45度三种情况。仿真结果表明，偏振片在偏移5度以内时，对密钥长度影响不大。 此外，本文对一种基于相干态的诱骗态方案进行仿真分析，验证了诱骗态方案抵抗光子数分裂攻击的有效性。该方案仿真得到在光纤中安全通信距离为140km。 本论文的目的是促进量子密钥分配的进一步实用化。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 由于量子态的物理特性，使得在实验室里制备量子态比较困难，同时对制备的量子态进行测量也非常复杂且代价昂贵，加之非理想光源的使用以及信道噪声的影响，都使得实际量子密钥分配的安全传输距离受到了限制。因此，仅是一些标准的量子密钥分配协议得到了实验的验证，大部分的协议只是在理论上得到了证实。 为建立理论和实际之间的桥梁，本项目对BB84协议、通信仪器设备、不理想设备等进行了仿真。
科学性、先进性及独特之处
- 将量子噪声信道建模为振幅衰减信道，并对密钥分配过程中使用的光学器件进行了模拟，最终得到的仿真结果符合V. Giovannetti和R. Fazio给出振幅衰减信道的保密信道容量理论值。 在数据协调的过程中，本作品使用了二分法纠错和级联法纠错，并且比较两种纠错方式的结果，得到了各自纠错能力较好的范围。 此外，本作品还对仪器设备不理想的情况进行了仿真:偏振制备器小角度的偏移和单光子制备器的不理想。
应用价值和现实意义
- 量子通信具有非常高的保密性，因此运用领域广泛，具有良好的市场经济效应。 目前对于QKD的研究基本限于理论和实验。然而，无条件安全协议的理论发展深化了进一步的实验验证的必要性。考虑到精确的量子容量计算的困难性，以及实际量子光通信系统设备是十分昂贵的，购买实验设备进行研究不现实。为了弥合理论与实验的差距，本文使用了经典的计算机模拟，给出了用经典计算机仿真来研究QKD的可行性的例子。
学术论文摘要
- 在量子测不准原理和量子不可克隆定理的保证下，量子密钥分配方案在通信中可以达到绝对安全，其安全性已经在过去的几十年中被证明。然而，很多安全性分析都是基于理想化的系统元器件。实际中，仪器的不完美是不可避免的，这就对实验设备提出了非常高的要求，造成了实际系统中的量子密钥生成率和最大安全传输距离的局限性。 相比实验的高昂经费，经典计算机仿真是更普遍的研究方法，也是量子密码通信研究的一种重要方法。本文对量子密钥分配进行仿真研究，具体工作是在振幅衰减信道中仿真BB84协议，计算其安全码率，并与V. Giovannetti和R. Fazio给出振幅衰减信道的保密信道容量相比较，结果基本符合。在纠错过程中，使用并比较二分法和级联法的不同，得到了各自的适用范围。考虑到偏振片的偏振方向非理想，本文仿真了偏振片偏移5度，10度，45度三种情况。仿真结果表明，偏振片在偏移5度以内时，对密钥长度影响不大。 此外，本文对一种基于相干态的诱骗态方案进行仿真分析，验证了诱骗态方案抵抗光子数分裂攻击的有效性。该方案仿真得到在光纤中安全通信距离为140km。 本论文的目的是促进量子密钥分配的进一步实用化。
获奖情况
- 浙江省第十二届“挑战杯”学生课外学术科技作品竞赛二等奖； 浙江工商大学第十届“希望杯”学生课外学术科技作品竞赛一等奖； 2010年10月18~20日,日本东京,NICT、IPA和AIST举行的“Updating Quantum Cryptography and Communication 2010” 国际会议上张贴摘要"Simulation of BB84 Quantum Key Distribution in Amplitude Damping Channel"； 2010年12月17~19日，北京，中国信息安全中心和北京邮电大学举行的“2010 IEEE 国际信息理论和信息安全会议”上，发表论文"Simulating BB84 protocol in amplitude damping channel"， EI及ISTP收录。
鉴定结果
- 论文"Simulating BB84 protocol in amplitude damping channel"已被 EI收录
参考文献
- 1. 马瑞霖. 量子密码通信[M]. 北京：科学出版社，2006. 2. 郑大钟, 赵千川 (译). 量子计算和量子信息(二)[M]. 北京：清华大学出版社，2004. 3. D. Stucki, N Walenta, F Vannel, et al. High rate, long distance quantum key distribution over 250km of ultra low loss fibers[J]. New J. Phys. 2009, 11: 075003.1-075003.9. 4. H. K. Lo, X. F. Ma, and K. Chen. Decoy State Quantum Key Distribution[J]. Phys. Rev. Lett. 2005, 94(23): 230504.1-230504.4. 5. P. W. Shor and J, Preskill. Simple proof of security of the BB84 quantum key distribution protocol[J]. Phy. Rev. Lett. 2000, 85(2): 441-444. 6. T. Y. Chen, J. Wang, Y. Liu, et.al. 200km Decoy-state quantum key distribution with photon polarization[J]. arXiv:quant-ph/0908.4063v1, 2009. 7. W. Y. Hwang. Quantum Key Distribution with High Loss: Toward Global Secure Communication[J]. Phys. Rev. Lett. 2003, 91(5): 057901.1 - 057901.4. 8. X. B. Wang. Beating the Photon-Number-Splitting Attack in Practical Quantum Cryptography[J]. Phys. Rev. Lett. 2005, 94(23): 230503.1 - 230503.4.
同类课题研究水平概述
- 在量子信息的所有分支中，量子密码是最接近于实用的量子信息技术。经过近20年的发展，量子密码通信目前已从单纯研究走向实际应用。 量子密钥分配是量子密码的核心技术。第一个量子密钥分配协议是Bennett和Brassard于1984年提出的，即著名的BB84协议，具有无条件安全性。 1989年，Bennett和Brassard等人首次用实验验证了BB84协议；1993年，Muller，Breguet和Gisin利用偏振编码在光纤中实现了1.1km的量子密钥分配；同年，Rarity等人利用相位编码实现了10km的量子密钥分配。 1993年，瑞士的Muller等人首次在光纤中实现了利用偏振编码的量子密码传输。1996年，他们改用1.3um的脉冲半导体激光作为光源，实现传输距离23km,误码率仅为34‰。 目前，对于量子密钥分配的研究主要限于理论和实验两个方面。理论上绝对安全的量子密钥分配方案已经得到证实。理想的量子密钥分配方案需要单光子源，目前还做不到。实验室中使用大衰减激光源做替代，但是这种光源发出的光子满足泊松分布，会引起安全漏洞，不再具有安全性。改进的方案是利用诱骗态方案。该方案可以很大程度上提高密钥率以及安全传输距离，因此自提出以来受到众多学者和研究小组的关注，并取得了很大的突破性进展。 诱骗态方案是由Won-Young Hwang在2003年率先提出，利用一个信号态和一个诱骗态来解决光子分裂数攻击。紧接着清华大学王向斌在2005年提出了一个空态、一个信号态和一个诱骗态的三态协议，该方法被世界各地多个实验室证实。同年，多伦多大学Hoi-Kwong Lo, Xiongfeng Ma等人也独立提出了三态协议。在这之后又有学者提出了四态协议，诱骗态方向上的理论走向成熟，开始转向实验。 自从诱骗态提出以来，多伦多大学Hoi-Kwong Lo小组就做了诱骗态的仿真，仿真中通信距离从142 km提高到181km。该小组在2006年做了光纤信道下的量子密钥分配仿真，通信距离达60km。清华大学王向斌小组在2006年使用仿真的方法证明了三态协议的通信距离确实比单个相干态的通信距离远。中科大量子科学国家实验室在2009年实现了200km的通信距离，同年，D.Rosenberg更是提出了250km距离的通信。在2010年，中科大在四个城市之间实现多对多通信，形成了通信网络。
