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量子通信

2018-03-12

量子通信的背景


随着计算机和互联网的发展,信息技术正深刻地改变着人们的生活方式。而斯诺登曝光的包括"棱镜"项目在内的美国政府多个秘密情报监视项目,也引发了人们对互联网时代信息安全的普遍担忧。信息安全己经成为全世界范围内的重要议题,其中密码技术是核必。近代经典密码技术主要分为私钥密码体制(又称对称密码体制)和公钥密码体制(又称非对称密码体制)两种。由于私钥密码体制密钥分发的安全性问题一直没有得到有效地解决,存在着安全隐患,这使得基于复杂数学问题难以求解来确保信息安全性的公钥密码体制获得了蓬勃发展。


目前使用最广泛的公钥密码体制是RSA 体制,其安全性是基于"大数因子分解"的计算复杂性。理论上,如果要对一个300 位的阿拉伯数字进行因子分解,使用万亿次的经典计算机需要耗时约 150000 年。而在未来随着量子计算技术的发展,根据理论采用 Shor 量子算法,使用万化次的量子计算机耗时仅1秒,这也将导致R SA 公钥密码体制在量子计算机的超快计算能为下不堪一击。


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图:经典通道与量子通道


迄今为止,经典加密技术大多是基于特定数学问题的计算复杂性,在理论上都不能保证绝对安全。而基于"量子不可分割"和"量子不可克隆定理"的量子力学基本原理,量子密码技术为我们提供了一种全新的密码解决方案。


1984年,IBM 公司的 Bennett 和蒙特利尔大学的 Brassard 提出了第一个量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)方案,也就是BB84 协议。BB84 协议是迄今为止应用最广泛的 QKD 协议,它解决了密钥的安全分发问题,通过将信息编码在单个光子的偏振态(相位态)上,避免了信息被窃听的可能性。结合 1918 年 Vemam 发明的一次一密( One Time Pad, OTP)算法,可以保证加密内容的不可破译性,从理论上实现绝对安全的保密通信。而在此基础上发展起来的,一种信息编码、信号传输巧探测等过程基于量子态的通信方式也彼称为量子通信。


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图:量子密钥分发


量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是迄今为止唯一被严格数学证明的绝对安全,其核也就是通过量子密钥分发,实现相距遥远的通信双方共享绝对安全的鱼子密钥。所以,量子密钥分发的发展史几乎也就是里子通信的发展史。鱼子密钥分发需要将信息编码在单个光子的量子态上,但是在实际的 QKD 实验中,由于理想的单光子源技术尚不成熟,通常使用弱相干光源作为替代,这也导致呈子密钥分发存在受到光子数分离(Photon Number Splitting, PNS)攻击的可能性。针对该问题,美国西北大学的 Hwang于2003 年提出了后来被广泛使用的诱骗态思想。随后在 2005 年,清华大学的王向斌教授和多伦多大学的 Lo 等人分别独立提出了可实用化的诱骗态方案,大大提升了基于弱相干光源的量子密钥分发的理论安全传输距离。随着BB84协议和诱骗态理论的提出,量子通信得到了飞速发展并逐步迈入实用化的阶段。其基于量子力学基本原理的绝对安全性,使得科学家们一直致力于全球化量子保密网络的研究。


光纤量子远信的进展


在己经较为成熟的经典光纤通信技术的支持下,基于光纤的量子通信发展尤为巧猛。


1993年,日内瓦大学 Gisin 小组的Muller 等人首次完成了基于偏振编码的光纤量子密钥分发的实验验化,传输距离lkm,随后在1995 年将这个距离提髙到了23 km。2004 年,剑桥大学的Gobby 等人将光纤量子密钥分发的传输距离刷新到122 km。然而截止到 2005 年,由于未考虑针对弱相干光源的 PNS 攻击问题,早期的这些实验都存在着安全漏洞。诱骗态理论提出后,在2007 年,中国科学技术大学潘建伟小组的彭承志等人和美国 Los Alamos 国家实验室Hughes 小组的 Rosenberg 等人分别完成了超过100 km 光纤传输距离的诱骗态量子密钥分发实验。2010 年,潘建伟小组的刘洋等人实现了200 km 的光纤量子密钥分发实验。2015年,Gisin 小组的 Korzh等人将传输距离刷新到 307 km,这是目前光纤信道的最大传输距离。


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图:量子保密通信京沪干线


在另外一方面,随着光纤量子通信技术的成巧,实用化的光纤量子通信网络也逐渐发展起来,包括美国的 DARPA量子通信网络、欧洲的 SECOQC 量子通信网络、瑞士的 SwissQuantum 量子通信网络和东京的 Tokyo量子通信网络等等。而中国科学技术大学的潘建伟小组也分别在北京、济南和合肥建立了实用的城域量子通信实验网,结合目前正在建设中的量子通信"京沪干线",将在未来连接北京、济南、合肥和上海,实现千公里级商可信、可扩展的广域光纤童子通信。


自由空间量子通信的进展


在光纤信道中光子的传输存在着固有损耗,在1550 nm 波段这个损耗的典型值为0.2 dB/km,同时由于光纤的双折射效应,长距离传输后光子的相干性变得很差,因此光纤量子通信的通信距寓也逐渐到达了瓶颈。相对于光纤信道,光子在自由空间传输过程中的衰减更小,而且大气中几乎不存在双折射效应,这也使得基于自由空间的量子通信近些年发展迅速。


1989 年,Bennett 等人首次在桌面平台上完成了量子巧钥分发的实验验证,通信距离为32 cm。

1998 年,Hughes 小组完成了传输距离1 km的自由空间量子巧钥分发实验,并在2002年实现了 10 km的白天自由空间量子密钥分发实验.

2003 年,维也纳大学 Zeilinger 小组的 Aspelmeyer 等人首次完成了 600 m 自由空间的单向纠缠光子传输。

2005 年,潘建伟小组在合肥实现了13 km 的双向纠缠光子分发,在国际上首次验证了纠缠光子穿越等效大气厚度的可行性。

2006 年,Weinfurter小组的 Weier 等人完成了对基于纠缠的量子密钥分发的实验验证。

2007 年,以 Zeilinger 为首的欧洲联合实验室实现了144 km 的自由空间纠缠光子单向传输实验和诱骗态量子密钥分发实验,这是迄今为止自由空间信道的景大传输距离。随后在2009年,该团队验证了经历144 km 大气损耗自由空间信道的纠缠商保真传输。

2012 年,潘建伟小组在靑海湖实现了 101 km 的自由空间量子纠缠分发实验。


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图:青海湖湖心岛的百公里级量子纠缠分发实验


2013 年,Weinfurter小组完成了基于飞机运动平台的20 km 自由空间量子密钥分发实验。同年,潘建伟小组在青海湖完成了关于星地量子密钥分发的全方位论证实验,为星地量子通信和全球化鱼子保密网络铺平了道路。

2018 年1月,潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队,联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、国家天文台等,与奥地利科学院Anton Zeilinger研究组合作,利用“墨子号”量子科学实验卫星,在中国和奥地利之间首次实现距离达7600公里的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力,为未来构建全球化量子通信网络奠定了坚实基础。


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图:洲际量子保密通信网络示意图


参考文献:

1. C.  H.  Bennett,  G.  Brassard,  Quantum  cryptography:  Public  key  distribution  and coin tossing, in Proc. Int. Conf. Comput. Syst. Signal Process, 1984,175~179 

2. Makarov V, Anisimov A, Skaar J. Effects of detector efficiency mismatch on security of quantum cryptosystems. Phys. Rev. A, 2006, 74(2):022313.

3. C. H. Bennett, G. Brassard, C.Crepeau, et al. Teleporting an Unkown quantum state via dual classic and EPR channels. Phys. Rev. Lett. 70,1895 (1993)

4. M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press (2000).

5. 李杨,“自由空间保密光通信关键技术研究”,中国科技大学博士学位论文(2016).

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aaaaa发布于2018-04-121

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aaaaa发布于2018-04-120

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aaaaa发布于2018-04-120

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