大學(xué)教學(xué)課件量子信息技術(shù)3

1、量子信息技術(shù)韓正甫中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第1頁(yè)，共79頁(yè)。4-3量子密碼(一) 、 甲午海戰(zhàn)1894年中日之戰(zhàn)，北洋艦隊(duì)全軍覆沒(méi)！價(jià)值：割讓東三省+彭湖列島+臺(tái)灣+白銀2億萬(wàn)兩教訓(xùn)：沒(méi)有保密?chē)?guó)家就沒(méi)有了一切！一、信息安全的意義第2頁(yè)，共79頁(yè)。一、信息安全的意義航母戰(zhàn)列艦巡洋艦驅(qū)逐艦 日本5（4）11849美國(guó)30814(二)、中途島海戰(zhàn)1941年12月，偷襲珍珠港成功，摧毀了美軍的海軍主力！計(jì)劃1942年6月，突襲中途島，全殲美國(guó)海軍！價(jià)值：典型的以少勝多，日本海軍走向全面失敗的開(kāi)始！導(dǎo)致日軍失敗的最高級(jí)密碼-（紫密JN25b/ JN25c ）第3頁(yè)，共79頁(yè)。(三)、山本五十六之死194

2、3年4月，美軍伏擊日本海軍大將獲得成功，動(dòng)搖了日本的軍心！密碼學(xué)的教訓(xùn)：1、更換不及時(shí)2、密鑰間不應(yīng)該有關(guān)聯(lián)性一、信息安全的意義日軍始終不知道已經(jīng)無(wú)密可保的密碼-紫密(JN25)第4頁(yè)，共79頁(yè)。二、保密通信與密碼 私鑰！第5頁(yè)，共79頁(yè)。私鑰的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.抗計(jì)算能力強(qiáng)2.理論上存在絕對(duì) 安全性(單次、等長(zhǎng))缺點(diǎn)：密鑰分配困難 1.難以更換 2.儲(chǔ)存降低安全性二、保密通信與密碼 例：序列密碼；分組密碼（DES, AES)；經(jīng)典密碼私鑰技術(shù)第6頁(yè)，共79頁(yè)。經(jīng)典密碼公鑰技術(shù)二、保密通信與密碼 常用公鑰：RSA；ECC 等！第7頁(yè)，共79頁(yè)。公鑰的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 分配方便；便于更換；無(wú)需儲(chǔ)存缺點(diǎn)：安

3、全性未嚴(yán)格證明；計(jì)算速度的挑戰(zhàn)量子計(jì)算的挑戰(zhàn)：RSA (1024 bits) 2000 Qbits量子計(jì)算 Bell實(shí)驗(yàn)室，Peter Shor, Quant-ph/9508027ECC（160 bits ) 1000Qbits量子計(jì)算 加拿大Waterloo大學(xué) John Proos 等, Quant-ph/0301141二、保密通信與密碼 第8頁(yè)，共79頁(yè)。1、密碼原理和技術(shù)研究；2、身份識(shí)別與認(rèn)證；3、數(shù)字簽名與防抵賴(lài)技術(shù)；4、PKI技術(shù)；5、VPN技術(shù)；6、信息隱藏技術(shù)。二、保密通信與密碼 第9頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(一).量子密碼是什么？量子密碼是一種新的密碼體制？No!量子

4、密碼是“量子”的？No!第10頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(1). 量子密碼是什么？量子密碼是： 采用量子力學(xué)原理，通過(guò)公開(kāi)信道在異地用戶之間實(shí)現(xiàn)能?chē)?yán)格保證分配過(guò)程安全的密鑰分配方法！量子密碼-量子密鑰分配第11頁(yè)，共79頁(yè)。量子密鑰分配技術(shù)三、量子密碼原理第12頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(2)、光的量子性半透半反鏡第13頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(2)、光的量子性半透半反鏡第14頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(2)、光的量子性半透半反鏡第15頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(3)、光子偏振量子態(tài)偏振分束器第16頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(3)、光子偏振量子態(tài)偏振分束器第17頁(yè)，共

5、79頁(yè)。三、量子密碼原理(3)、光子偏振量子態(tài)偏振分束器第18頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(3)、光子偏振量子態(tài)偏振分束器第19頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(3)、光子偏振量子態(tài)偏振分束器第20頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(3)、光子偏振量子態(tài)偏振分束器第21頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(4)、偏振態(tài)編碼 01AliceBob 第22頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(4)、偏振編碼方案(BB84協(xié)議）110011EDCBA1413121110987654321=1=0第23頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理多光源偏振編碼方案AliceBob第24頁(yè)，共79頁(yè)。1、美國(guó)los Alamos L

6、ab （10公里，2002年初）三、量子密碼原理第25頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理德國(guó)人的機(jī)械合束方法第26頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理發(fā)射部分第27頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理接收裝置第28頁(yè)，共79頁(yè)。R.Ursin, et al., Nature physics vol.3, 481(2007)空間144公里三、量子密碼原理第29頁(yè)，共79頁(yè)。星-海量子密鑰分配星-地量子密鑰分配 星-空量子密鑰分配三、量子密碼原理第30頁(yè)，共79頁(yè)。易: 只要把兩望遠(yuǎn)鏡距離拉開(kāi)到400公里?難: 其中一端必須在天上飛!三、量子密碼原理實(shí)現(xiàn)星地量子密鑰分配困難嗎?第31頁(yè)，共79頁(yè)。難在哪里?2、必

7、須保證兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡始終對(duì)準(zhǔn)！1、400km傳輸，能接收到足夠強(qiáng)的信號(hào)嗎？三、量子密碼原理第32頁(yè)，共79頁(yè)。信號(hào)夠不夠強(qiáng)？、途中光損耗！大氣的散射大氣的吸收基本：N2、O2、CO2、H2O人為：灰塵、SO2、NO670nm、772nm干潔大氣透過(guò)率65%處理辦法：尋找大氣窗口遠(yuǎn)離人為污染三、量子密碼原理第33頁(yè)，共79頁(yè)。如何保證望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)？理想的對(duì)準(zhǔn)！三、量子密碼原理第34頁(yè)，共79頁(yè)。如何保證飛行目標(biāo)間的對(duì)準(zhǔn)？Acquisition, Tracking, Pointing (ATP system)! 軌跡搜尋， 跟蹤， 瞄準(zhǔn) (跟瞄系統(tǒng))！問(wèn)題：什么樣的精度才能滿足需要？三、量子密碼原理第3

8、5頁(yè)，共79頁(yè)。跟瞄精度和誤差指標(biāo)1、衛(wèi)星對(duì)地指向的晃動(dòng)！2、衛(wèi)星軌道的漂移！3、衛(wèi)星地面的振動(dòng)！地面光斑適當(dāng)放大！三、量子密碼原理第36頁(yè)，共79頁(yè)。典型環(huán)境下的天空背景亮度：環(huán)境條件日光云層日光霾霧日光大氣滿月新月星光輻射亮度（相對(duì)強(qiáng)度）1.010-110-210-510-610-7典型亮度（w/Srm2m）150151.51.5x10-31.5x10-41.5x10-5*衛(wèi)星表面反射：按6等星估算三、量子密碼原理第37頁(yè)，共79頁(yè)。中低軌衛(wèi)星的可行性環(huán)境條件日光云層日光霾霧日光大氣滿月新月星光背景光子數(shù)/門(mén)寬100radB0.2nmt3ns7.47.4x10-17.4x10-27.4x1

9、0-57.4x10-67.4x10-77.4x10-7100radB0.2nmt1ns2.52.5x10-12.5x10-22.5x10-52.5x10-62.5x10-72.5x10-7100radB0.01nmt1ns1.3x10-11.3x10-21.3x10-31.3x10-61.3x10-81.3x10-71.3x10-81.3x10-81.3x10-810radB0.2nmt3ns7.4x10-27.4x10-37.4x10-47.4x10-77.4x10-97.4x10-87.4x10-97.4x10-97.4x10-910radB0.2nmt1ns2.5x10-22.5x10-

10、32.5x10-42.5x10-72.5x10-92.5x10-82.5x10-92.5x10-92.5x10-910radB0.01nmt3ns3.7x10-33.7x10-43.7x10-53.7x10-83.7x10-103.7x10-93.7x10-103.7x10-103.7x10-1010radB0.01nmt1ns1.3x10-31.3x10-41.3x10-51.3x10-81.3x10-101.3x10-91.3x10-101.3x10-101.3x10-10第38頁(yè)，共79頁(yè)。同步衛(wèi)星地面的量子密鑰分配可行性結(jié)論：技術(shù)上可行！ 與低軌道衛(wèi)星比，沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)！EL Miao

11、, ZF Han, et al, Phys lett. A, vol.361, 29-32(2007)每天的有效碼長(zhǎng) 7秒的經(jīng)典通信量（跟瞄精度0.2rad)第39頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理光子相位量子態(tài)單光子干涉單光子探測(cè)器D1D2單光子分束器上下第40頁(yè)，共79頁(yè)。相位編碼的量子密鑰分配等臂M-Z方案D1D2相位調(diào)制器相位調(diào)制器Alice安全區(qū)Bob安全區(qū)無(wú)法控制絕對(duì)相位導(dǎo)致嚴(yán)重不穩(wěn)定！第41頁(yè)，共79頁(yè)。AliceBob三、量子密碼原理等臂M-Z方案第42頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理不等臂M-Z方案第43頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理不等臂M-Z方案第44頁(yè)，共79頁(yè)。不等臂M-Z

12、方案三、量子密碼原理第45頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理不等臂M-Z方案第46頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理不等臂M-Z方案第47頁(yè)，共79頁(yè)。M-Z系統(tǒng)的不穩(wěn)定性條紋干涉度的漲落（偏振）0公里相位漂移（溫度，折射率）0公里02468100.40.50.60.70.80.9 Optical PowerTime(hour)三、量子密碼原理第48頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理0公里50公里25公里75公里M-Z系統(tǒng)穩(wěn)定與距離有關(guān)嗎？第49頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理第50頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理第51頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理第52頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理第53頁(yè)，共79頁(yè)。三、

13、量子密碼原理第54頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理相位調(diào)制器相位調(diào)制器Bob安全區(qū)Alice安全區(qū)D1法拉第反射鏡偏振分束器光子探測(cè)器第55頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理往返式的付作用c)監(jiān)視光強(qiáng)-將“量子安全性”降低為“技術(shù)安全性”！a)背向散射-嚴(yán)重限制密鑰分配速率！b)往返補(bǔ)償-傳輸距離越遠(yuǎn)則抗高頻干擾能力越差！d)不適合使用單光子源！第56頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理第57頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理第58頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理第59頁(yè)，共79頁(yè)。北京-天津, 125km, 2004X.F. Mo, B. Zhu, Z. F. Han, et alOptics Letters

14、, Vol.30(19), 2632(2005) 三、量子密碼原理第60頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理(6)、其他協(xié)議B92協(xié)議六態(tài)協(xié)議正交態(tài)協(xié)議信道編碼協(xié)議EPR協(xié)議連續(xù)變量協(xié)議推廣的BB84協(xié)議（糾纏光子對(duì)）尚未實(shí)現(xiàn)的協(xié)議暫時(shí)無(wú)實(shí)用價(jià)值的協(xié)議第61頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理1、安全性保障：A. 量子（隨機(jī)、疊加）性信息不可分取、不可預(yù)測(cè);B. “量子不可克隆定律” 信息不可拷貝。未知量子態(tài)不可以被精確克隆克隆極限5/6，安全的量子密鑰誤碼率不大于1/6第62頁(yè)，共79頁(yè)。三、量子密碼原理2、攻擊方案的出發(fā)點(diǎn)（1）方案設(shè)計(jì)的不安全性；（2）由于系統(tǒng)光電子器件的非理想而導(dǎo)致的漏洞； 例：探

15、測(cè)器的低量子效率、光纖損耗、非單光子源等（3）編碼量子態(tài)集中的量子態(tài)有限量子密碼不能一勞永逸地解決密鑰安全問(wèn)題；密碼技術(shù)的攻防戰(zhàn)仍然要繼續(xù)；攻防的戰(zhàn)場(chǎng)有所轉(zhuǎn)移第63頁(yè)，共79頁(yè)。四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)量子網(wǎng)絡(luò)的尋址問(wèn)題？量子信息的載體是量子態(tài) :未知量子態(tài)不能精確克隆!測(cè)量會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)的塌縮! 第64頁(yè)，共79頁(yè)。美國(guó)DARPA的量子網(wǎng)絡(luò)2x2 光開(kāi)關(guān)缺點(diǎn):只能有少數(shù)用戶同時(shí)上網(wǎng)通信；復(fù)雜路由會(huì)大量附加損耗！人工中繼存在安全管理隱患！ 光學(xué)開(kāi)關(guān)路由器人工中繼四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)第65頁(yè)，共79頁(yè)。除開(kāi)關(guān)以外，用什么能實(shí)現(xiàn)量子通信的尋址?路由器!123456我們說(shuō) “波長(zhǎng)可以!”四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)第66頁(yè)，

16、共79頁(yè)。四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)怎么實(shí)現(xiàn)?四端路由器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖普通波分復(fù)用器-WDM 第67頁(yè)，共79頁(yè)。四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)4 節(jié)點(diǎn)8 節(jié)點(diǎn)6 節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展嗎?可以! N 節(jié)點(diǎn)n-1 個(gè)波長(zhǎng)第68頁(yè)，共79頁(yè)。四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)N 節(jié)點(diǎn)n 波長(zhǎng)奇數(shù)用戶可以嗎? 可以.!第69頁(yè)，共79頁(yè)。四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)原則上可以! 可無(wú)限擴(kuò)展嗎?前提條件: 如果 波長(zhǎng)可無(wú)限細(xì)分！ 結(jié)構(gòu)滿足圖論中的“邊界染色”定理！第70頁(yè)，共79頁(yè)。四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)AWG: 波長(zhǎng)間隔 50GHz, 160通道可實(shí)現(xiàn)161 節(jié)點(diǎn)路由器!路由附加損耗 7.5dB；附加損耗與節(jié)點(diǎn)數(shù)無(wú)關(guān)！DWDM: 波長(zhǎng)間隔 0.8nm, 40 通道可

17、實(shí)現(xiàn)41節(jié)點(diǎn)路由器!路由附加損耗5.2dB；附加損耗隨節(jié)點(diǎn)數(shù)升高！ 第71頁(yè)，共79頁(yè)。四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)2005年實(shí)現(xiàn)：一對(duì)三視頻的實(shí)時(shí)量子加密通信！第72頁(yè)，共79頁(yè)。四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)物圖發(fā)送、接收、控制電路高精度時(shí)間同步電路實(shí)現(xiàn)：一對(duì)三的視頻、語(yǔ)音、文本的實(shí)時(shí)量子加密通信！FPGA邏輯控制電路；USB接口；時(shí)鐘50MHz；發(fā)送速率1MHz；同步精度100ps第73頁(yè)，共79頁(yè)。PalaceW. Chen, Z. F. Han, et al., IEEE Photonic Tech. Lett. Vol.21(9), 575-577(2009) 四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)第74頁(yè)，共79頁(yè)。望京

18、節(jié)點(diǎn)四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)第75頁(yè)，共79頁(yè)。光纖接入點(diǎn)四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)第76頁(yè)，共79頁(yè)。東小口節(jié)點(diǎn)四、量子密碼網(wǎng)絡(luò)第77頁(yè)，共79頁(yè)。LinkFiber length(km)Wavelength(nm)Line loss(db)SPD dark count(per pulse)QBER1raw key rate1(bps)QBER2raw key rate 2(bps)A-R-B42.68153016.449.710-67.7 %337.5%32A-R-C31.88151011.635.210-64.1 %574.4%53A-R-D39.76155015.591.210-56.6 %356.6%36D-R-C31.88153010.685.2