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实用量子安全直接通信的实现与安全性分析

发布:laserline    |    2019-02-18 20:26    阅读:1138
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世界上的经济,政治和社会福祉主要取决于安全的通信基础设施。通过?#29992;?#25216;术保护当前通信?#35272;?#22522;于某些数学问题的计算?#35759;?#30340;预共享密钥和?#29992;?#21327;议,例如,RSA公钥方案。目前的安全通信系统存在潜在的危险。一方面,这些?#29992;?#21327;议基于数学上难以解决的问题,这些问题未被严格证明没有有效的解决算法。这些协议可能有一天会被?#33529;擔?#25110;者可能已经被某些天才私下?#24179;?#20102;;我们?#20849;?#30693;道解决这些问题的有效算法是否存在。另一方面,随着超级计算机的迅速发展和实际量子计算机的发展,一些密码可能变得不安全。与密码算法相比,物理层安全是基于窃听者具有无限计算能力的条件,但是合法的接收器比窃听者具有物理优势。1975年,Wyner提出了一种退化的窃听通道模型,这是一种考虑到安全性的基本信道模型。保密容量?#27426;?#20041;为具有安全性和可靠性的所有可实现传输速?#23454;?#19978;限。?#26434;?#32463;典通信来说,由于合法通信方很难检测到窃听,实际通信系统的保密容量难以估计。当采用单光子或纠缠光子对等量子系统传输数字信息?#20445;?#37327;子物理原理产生了经典传输介质无法实现的新能力。原则上,EVE不可能在不干扰传输的情况下进行窃听,以避免检测。Bennett和Brassard(BB84)提出的第一个量子通信协议,展示了如何利用量子源实现安全密钥协议。量子密钥分配分配一个随机密钥,而不是信息本身,信息通过另一个经典的通信通道发送。2000年提出了量子安全直接通信(QSDC)。QSDC是量子通信的一个重要分支。与量子通信的其他分支不同,它可以不通过密钥分发直接通信信息,从而消除了与密钥存储和密文攻击相关的进一步安全漏洞,为安全通信协议的选择提供了新的工具。近年来,QSDC的原理实验验证取得了显著进展。?#27426;?#23558;QSDC应用到实际应用中仍然是一项技术壮举。基于单光子和纠缠对的QSDC的原理证明实验已经完成。特别是,张等人使用两步QSDC协议,在500 m的有效距离内演示光纤中的QSDC。


图1 PDL04-QSDC协议的图示。 “主通道”和“窃听通道”是离散的无记忆通?#39304;?#20027;要通道代表发送者和合法接收者之间的通道,而窃听通道代表发送者和窃听者之间的通?#39304;?/p>

近日,清华大学低维量子物理国家重点实验室的科学家报告了一个使用基于DL04协议的实际量子安全通信系统的实验实现。为?#31169;玅SDC推进实际应用,必须解决许多关键问题。信息传输的安全性分析对实际应用至关重要。根据Wyner的窃听模型,必须让系统的工作容量低于信道的保密容量。利用系统抽样检查过程中的误码率估计系统的保密容量。一旦这?#30452;?#23494;容量估计完成,就可以设计一种通信速率小于这?#30452;?#23494;容量的编码方案。为此清华大学的科学家开发了一种使用低密度奇偶校验码(LDPC)串联的编码方案。该方案是专为在高损耗和高误码?#23454;?#24773;况下工作而设计的,是量子通信所独有的。实验表明,这种QSDC平台能够在现实环境中有效地工作。目前的系统在1.5公里的距离内以1 MHz的重复率运行。安全通信速率为50 bps,足?#26434;行?#22320;发送文本消息和?#23454;?#22823;小的图像和声音文件。相关内容以《Implementation and security analysis of practical quantum secure direct communication》为题发表在《Light: Science & Applications》杂志上。


图2 实验设置。采用1550 nm强衰减激光器作为近?#39057;?#20809;子源,系统脉冲重复频率为1 MHz。Bob将单个光子以两个具有相对相位的时间仓的叠?#26377;问?#21457;送给Alice,Alice随机选择两个可能任务中的一个,即错误检查或编码。两侧均由现场可编程门阵列(FPGA)控制,并且使用商用铌酸锂调制器实现四个单光子状态的操作。PM相?#22351;?#21046;器。PC极化控制器。PBS偏振分束器。ATT衰减器。CIR光学环行器。FC光纤耦合器。SPD超导纳米线单光子探测器,探测效率70%,?#23548;?#25968;率100 Hz,复位时间50 ns。PMFC偏振保持滤波器耦合器。FR法拉第旋转器。

来源: Light: Science & Applications

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