大學教學課件量子信息技術3

1、量子信息技術韓正甫中科院量子信息重點實驗室第1頁，共79頁。4-3量子密碼(一) 、 甲午海戰(zhàn)1894年中日之戰(zhàn)，北洋艦隊全軍覆沒！價值：割讓東三省+彭湖列島+臺灣+白銀2億萬兩教訓：沒有保密國家就沒有了一切！一、信息安全的意義第2頁，共79頁。一、信息安全的意義航母戰(zhàn)列艦巡洋艦驅逐艦 日本5（4）11849美國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！計劃1942年6月，突襲中途島，全殲美國海軍！價值：典型的以少勝多，日本海軍走向全面失敗的開始！導致日軍失敗的最高級密碼-（紫密JN25b/ JN25c ）第3頁，共79頁。(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，動搖了日本的軍心！密碼學的教訓：1、更換不及時2、密鑰間不應該有關聯性一、信息安全的意義日軍始終不知道已經無密可保的密碼-紫密(JN25)第4頁，共79頁。二、保密通信與密碼 私鑰！第5頁，共79頁。私鑰的特點優(yōu)點：1.抗計算能力強2.理論上存在絕對 安全性(單次、等長)缺點：密鑰分配困難 1.難以更換 2.儲存降低安全性二、保密通信與密碼 例：序列密碼；分組密碼（DES, AES)；經典密碼私鑰技術第6頁，共79頁。經典密碼公鑰技術二、保密通信與密碼 常用公鑰：RSA；ECC 等！第7頁，共79頁。公鑰的特點優(yōu)點： 分配方便；便于更換；無需儲存缺點：安

3、全性未嚴格證明；計算速度的挑戰(zhàn)量子計算的挑戰(zhàn)：RSA (1024 bits) 2000 Qbits量子計算 Bell實驗室，Peter Shor, Quant-ph/9508027ECC（160 bits ) 1000Qbits量子計算 加拿大Waterloo大學 John Proos 等, Quant-ph/0301141二、保密通信與密碼 第8頁，共79頁。1、密碼原理和技術研究；2、身份識別與認證；3、數字簽名與防抵賴技術；4、PKI技術；5、VPN技術；6、信息隱藏技術。二、保密通信與密碼 第9頁，共79頁。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，共79頁。三、量子密碼原理(1). 量子密碼是什么？量子密碼是： 采用量子力學原理，通過公開信道在異地用戶之間實現能嚴格保證分配過程安全的密鑰分配方法！量子密碼-量子密鑰分配第11頁，共79頁。量子密鑰分配技術三、量子密碼原理第12頁，共79頁。三、量子密碼原理(2)、光的量子性半透半反鏡第13頁，共79頁。三、量子密碼原理(2)、光的量子性半透半反鏡第14頁，共79頁。三、量子密碼原理(2)、光的量子性半透半反鏡第15頁，共79頁。三、量子密碼原理(3)、光子偏振量子態(tài)偏振分束器第16頁，共79頁。三、量子密碼原理(3)、光子偏振量子態(tài)偏振分束器第17頁，共

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

6、ab （10公里，2002年初）三、量子密碼原理第25頁，共79頁。三、量子密碼原理德國人的機械合束方法第26頁，共79頁。三、量子密碼原理發(fā)射部分第27頁，共79頁。三、量子密碼原理接收裝置第28頁，共79頁。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，共79頁。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，共79頁。易: 只要把兩望遠鏡距離拉開到400公里?難: 其中一端必須在天上飛!三、量子密碼原理實現星地量子密鑰分配困難嗎?第31頁，共79頁。難在哪里?2、必

7、須保證兩個望遠鏡始終對準！1、400km傳輸，能接收到足夠強的信號嗎？三、量子密碼原理第32頁，共79頁。信號夠不夠強？、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干潔大氣透過率65%處理辦法：尋找大氣窗口遠離人為污染三、量子密碼原理第33頁，共79頁。如何保證望遠鏡對準？理想的對準！三、量子密碼原理第34頁，共79頁。如何保證飛行目標間的對準？Acquisition, Tracking, Pointing (ATP system)! 軌跡搜尋， 跟蹤， 瞄準 (跟瞄系統(tǒng))！問題：什么樣的精度才能滿足需要？三、量子密碼原理第3

8、5頁，共79頁。跟瞄精度和誤差指標1、衛(wèi)星對地指向的晃動！2、衛(wèi)星軌道的漂移！3、衛(wèi)星地面的振動！地面光斑適當放大！三、量子密碼原理第36頁，共79頁。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（相對強度）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，共79頁。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/門寬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，共79頁。同步衛(wèi)星地面的量子密鑰分配可行性結論：技術上可行！ 與低軌道衛(wèi)星比，沒有明顯的優(yōu)勢！EL Miao

11、, ZF Han, et al, Phys lett. A, vol.361, 29-32(2007)每天的有效碼長 7秒的經典通信量（跟瞄精度0.2rad)第39頁，共79頁。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器D1D2單光子分束器上下第40頁，共79頁。相位編碼的量子密鑰分配等臂M-Z方案D1D2相位調制器相位調制器Alice安全區(qū)Bob安全區(qū)無法控制絕對相位導致嚴重不穩(wěn)定！第41頁，共79頁。AliceBob三、量子密碼原理等臂M-Z方案第42頁，共79頁。三、量子密碼原理不等臂M-Z方案第43頁，共79頁。三、量子密碼原理不等臂M-Z方案第44頁，共79頁。不等臂M-Z

12、方案三、量子密碼原理第45頁，共79頁。三、量子密碼原理不等臂M-Z方案第46頁，共79頁。三、量子密碼原理不等臂M-Z方案第47頁，共79頁。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，共79頁。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)定與距離有關嗎？第49頁，共79頁。三、量子密碼原理第50頁，共79頁。三、量子密碼原理第51頁，共79頁。三、量子密碼原理第52頁，共79頁。三、量子密碼原理第53頁，共79頁。三、

13、量子密碼原理第54頁，共79頁。三、量子密碼原理相位調制器相位調制器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器第55頁，共79頁。三、量子密碼原理往返式的付作用c)監(jiān)視光強-將“量子安全性”降低為“技術安全性”！a)背向散射-嚴重限制密鑰分配速率！b)往返補償-傳輸距離越遠則抗高頻干擾能力越差！d)不適合使用單光子源！第56頁，共79頁。三、量子密碼原理第57頁，共79頁。三、量子密碼原理第58頁，共79頁。三、量子密碼原理第59頁，共79頁。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，共79頁。三、量子密碼原理(6)、其他協議B92協議六態(tài)協議正交態(tài)協議信道編碼協議EPR協議連續(xù)變量協議推廣的BB84協議（糾纏光子對）尚未實現的協議暫時無實用價值的協議第61頁，共79頁。三、量子密碼原理1、安全性保障：A. 量子（隨機、疊加）性信息不可分取、不可預測;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，共79頁。三、量子密碼原理2、攻擊方案的出發(fā)點（1）方案設計的不安全性；（2）由于系統(tǒng)光電子器件的非理想而導致的漏洞； 例：探

15、測器的低量子效率、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題；密碼技術的攻防戰(zhàn)仍然要繼續(xù)；攻防的戰(zhàn)場有所轉移第63頁，共79頁。四、量子密碼網絡量子網絡的尋址問題？量子信息的載體是量子態(tài) :未知量子態(tài)不能精確克隆!測量會導致量子態(tài)的塌縮! 第64頁，共79頁。美國DARPA的量子網絡2x2 光開關缺點:只能有少數用戶同時上網通信；復雜路由會大量附加損耗！人工中繼存在安全管理隱患！ 光學開關路由器人工中繼四、量子密碼網絡第65頁，共79頁。除開關以外，用什么能實現量子通信的尋址?路由器!123456我們說 “波長可以!”四、量子密碼網絡第66頁，

16、共79頁。四、量子密碼網絡怎么實現?四端路由器的內部結構示意圖普通波分復用器-WDM 第67頁，共79頁。四、量子密碼網絡4 節(jié)點8 節(jié)點6 節(jié)點可擴展嗎?可以! N 節(jié)點n-1 個波長第68頁，共79頁。四、量子密碼網絡N 節(jié)點n 波長奇數用戶可以嗎? 可以.!第69頁，共79頁。四、量子密碼網絡原則上可以! 可無限擴展嗎?前提條件: 如果 波長可無限細分！ 結構滿足圖論中的“邊界染色”定理！第70頁，共79頁。四、量子密碼網絡AWG: 波長間隔 50GHz, 160通道可實現161 節(jié)點路由器!路由附加損耗 7.5dB；附加損耗與節(jié)點數無關！DWDM: 波長間隔 0.8nm, 40 通道可

17、實現41節(jié)點路由器!路由附加損耗5.2dB；附加損耗隨節(jié)點數升高！ 第71頁，共79頁。四、量子密碼網絡2005年實現：一對三視頻的實時量子加密通信！第72頁，共79頁。四、量子密碼網絡系統(tǒng)實物圖發(fā)送、接收、控制電路高精度時間同步電路實現：一對三的視頻、語音、文本的實時量子加密通信！FPGA邏輯控制電路；USB接口；時鐘50MHz；發(fā)送速率1MHz；同步精度100ps第73頁，共79頁。PalaceW. Chen, Z. F. Han, et al., IEEE Photonic Tech. Lett. Vol.21(9), 575-577(2009) 四、量子密碼網絡第74頁，共79頁。望京

18、節(jié)點四、量子密碼網絡第75頁，共79頁。光纖接入點四、量子密碼網絡第76頁，共79頁。東小口節(jié)點四、量子密碼網絡第77頁，共79頁。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