用于量子加密的系统和方法技术方案

技术编号:6549530 阅读:335 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
提供了一种用于量子加密的系统和方法。该方法包括:通过在经由量子信道而彼此连接的发射方和接收方的每一个中测量由多个子量子系统形成的复合量子系统来在该发射方和该接收方中生成相同的量子加密密钥,其中,将该子量子系统的一部分禁闭在该发射方内,以便不向该发射方的外部暴露全部复合量子系统,并且不能当在该发射方的外部不干扰该复合量子系统的情况下确定该复合量子系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
在这里披露的本专利技术涉及一种量子加密(quantum cryptography)系统和量子加 密密钥的分布方法。
技术介绍
近来,随着对有线/无线通信技术的急速开发、以及对各种通信服务的广泛使 用,通信网络的安全程序变成非常重要的问题。在与国家、商业和金融相关的保密和个人 信息的保护方面,通信网络安全的重要性变得逐渐增加。最新的最卓越的用于解决对于 各种通信的安全限制的量子加密方法通过量子力学的理论(即,本性的基本真实性(the fundamental truth of nature))而保证了它的可靠性。因此,此方法是一种用于使得分组 监听(tapping)和监视绝对不可能的通信安全方法。即,量子加密方法是用于基于诸如不 可克隆(no-cloning)定理之类的量子物理学定律来绝对安全地分布用以对发射方和接收 方之间的传送数据进行加密和解密的秘密密钥的方法。另外,量子加密技术还公知为量子 密钥分布(QKD)技术。由 N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, H. Zbinden 等人在 2002 年发表的综述论文 ((Quantum Cryptography)), Rev,Mod. Phyx.第 74 卷,第 145-195 页(2002 年)详细描述了典 型的量子加密或量子密钥分布方法。根据此综述论文,一般公知的量子加密或量子密钥分 布方法包括BB84、B92和EPR协议。典型地,由 Charles Bennett和Gilles Brassard在 1984 年发表白勺论文((Quantum Cryptography Public key distribution and coin tossing)), Proc. IEEE Int. Conf. on Computers, Systems and Signal Processing,印度班力口罗尔,第 175-179页(IEEE,纽约,1984年)披露了已知为BB84协议的方法。此方法使用构成了两个 基态(base)的诸如0° 90° 45°和135°之类的四个量子态(例如,光子的极化状态)。即, 发射方“爱丽丝(Alice)”随机地选择两个基态之一,并还随机地选择所选择基元(kisis) 的两个量子态(秘密密钥的一个比特值)(即,0或1),并然后通过量子信道来将它传送到 接收方“鲍勃(Bob)”。例如,考虑使用(0°和90° )基元以及和135° )基元(即, 单个光子的极化状态)的情况。并且假设0°和45°表示比特值0、而90°和135°表示比 特值1。然后,如果发射方“爱丽丝”随机选择的基元和发射方“爱丽丝”随机选择的比特值 分别是(0°和90° )基元以及1,则发射方“爱丽丝”通过量子信道来将具有极化状态90° 的单个光子传送到接收方“鲍勃”。接收到该单个光子的接收方“鲍勃”随机地选择两个基 态之一,并还通过所选择的基元来测量所接收的单个光子的量子态。在接收方“鲍勃”完成 测量之后,发射方“爱丽丝”和接收方“鲍勃”通过经典信道来向彼此宣告它们随机选择的基 元。这里,如果发射方“爱丽丝”选择的基元与接收方“鲍勃”选择的基元相同,则因为接收 方“鲍勃”测量的结果与发射方“爱丽丝”随机选择的量子态一致,所以两个用户“爱丽丝” 和“鲍勃”具有相同的比特值。通过重复以上处理而包括当发射方“爱丽丝”和发射方“鲍 勃”选择相同基元时提取的比特值的比特串还被称作筛选密钥(sifted key)。在诸如纠错 和私密放大(privacy amplification)之类的后处理过程之后,最终将筛选密钥用作秘密密钥。如果窃听者尝试在通信的中间进行窃听,则基于量子力学的基本原理而在两个用户 “爱丽丝”和“鲍勃”获得的筛选密钥中发生错误。发射方“爱丽丝”和接收方“鲍勃”宣告 筛选密钥的一部分,使得计算错误率,以确定是否存在窃听者。然而,由于在通信期间量子信道的噪声或用于构成系统的每个有缺陷组件,导致 这些量子密钥分布方法可能向窃听者“伊夫(Eve)”暴露秘密加密密钥的一部分。相应地, 为了保证量子加密密钥分布方法的绝对安全性,正在开发用于对窃听者可以尝试的各种监 听方法和窃听者可以获得的信息数量进行限制的分析研究。例如,因为当前不存在理想的单个光子源,所以为了实际上实现诸如BB84协议之 类的量子密钥分布方法,普遍地使用了弱相干光(WCL)脉冲。在此情况下,存在可以通过量 子信道来传送非处于单个光子状态中的多光子脉冲的可能性。另外,在物理上实现的量子 信道实际上具有损耗。窃听者可以使用通信期间实际的网络缺陷来进行窃听。即,窃听者 对通过量子信道传送的光脉冲执行量子非毁坏测量(QND),由此确定光子的数目,而没有对 光子的量子态造成干扰。如果光子的数目是1,则窃听者丢弃该光子。如果光子的数目多于2,则窃听者分 隔所述光子,并且存储所述光子的一部分。将剩余的光子传送到接收方“鲍勃”。此时,窃听 者利用没有损耗的量子信道来替换该量子信道的一部分或全部,并且与当丢弃光子时分开 地,适当地控制要存储的光子的数目。因而,发射方“爱丽丝”和接收方“鲍勃”可能无法注意到窃听者“伊夫”的存在。 在发射方“爱丽丝,,和接收方“鲍勃,,通过经典信道来执行基元比较之后,窃听者基于来自 经典信道的所收集信息来对所存储的光子执行适当的量子测量,由此安全地获得用于秘密 密钥的信息,而不被检测到。将此窃听方法称为光子数目分离(PNS)攻击。随着量子信道的损耗增加,PNS攻击 能够成功的概率增加。因此,限制了可以安全地分布量子加密密钥的量子信道的距离。诸 如BB84协议之类的典型量子加密方法对于此PNS攻击是脆弱的,使得限制了可以安全地传 送秘密密钥的距离。在窃听者可以尝试的各种窃听方法之中已知为最一般且全面的方法的相干攻击 如下进行。在准备用于窃听的探子(probe)之后,窃听者让探子与(通过量子信道传送的) 光子相互作用,并然后基于相互作用的结果来存储用于作为该探子的量子态的光子的量子 态的特定信息。当发射方“爱丽丝”和接收方“鲍勃”通过经典信道而完成诸如基态比较、纠错和 秘密放大之类的所有公议处理时,窃听者基于通过公共经典信道收集的信息来对它自己的 探子执行适当的测量,以便在没有违犯量子力学规则的范围内获得关于加密密钥的最大信 肩、O关于此相干攻击,上述量子加密密钥分布方法将秘密密钥加载到光子的量子态 中,并然后实际上通过量子信道来传送该光子,使得窃听者总是可以访问该光子。即,存在 以下弱点,即窃听者总是可以访问单个光子的全部量子态。另一方面,通常地,窃听者通常首先需要用于确认量子信道的操作,以尝试关于加 密密钥值进行窃听。此时,因为如上所述、典型量子加密密钥分布方法实际上通过量子信道 来传送光子,所以窃听者原则上可以在没有被检测到的情况下安全地找出该量子信道。6S卩,光子存在的状态和光子不存在的真空状态彼此正交。根据量子力学,两个正交 的量子态可以彼此区分,而不导致任何干扰。典型的量子加密密钥分布方法具有以下限制, 即窃听者可以在没有被检测到的情况下标识量子信道。
技术实现思路
技术问题本专利技术提供了一种能够有效地阻止窃听者的监听企图的量子加密系统。本专利技术还本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种量子加密密钥的分布方法,包括:通过在经由量子信道而彼此连接的发射方和接收方的每一个中、测量由多个子量子系统形成的复合量子系统,来在该发射方和该接收方中生成相同的量子加密密钥,其中,将该子量子系统的一部分禁闭在该发射方内,以便不向该发射方的外部暴露全部复合量子系统,并且在该发射方的外部在不干扰该复合量子系统的情况下不能确定该复合量子系统。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2008.05.30 KR 10-2008-00510271.一种量子加密密钥的分布方法,包括通过在经由量子信道而彼此连接的发射方和接收方的每一个中、测量由多个子量子系 统形成的复合量子系统,来在该发射方和该接收方中生成相同的量子加密密钥,其中,将该子量子系统的一部分禁闭在该发射方内,以便不向该发射方的外部暴露全 部复合量子系统,并且在该发射方的外部在不干扰该复合量子系统的情况下不能确定该复 合量子系统。2.根据权利要求1的方法,其中,将用于构成该复合量子系统且生成量子加密密钥的 量子的实际路径禁闭到该发射方的内部。3.根据权利要求1的方法,其中,该复合量子系统具有在多于两个量子态之中随机选 择的一个量子态,并且将所选择的量子态中的每一个用作用于生成该量子加密密钥的比特值。4.根据权利要求1的方法,其中,该复合量子系统具有在正交量子态之中随机选择的 一个量子态。5.根据权利要求1的方法,其中,所述生成量子加密密钥的步骤包括通过用于连接该发射方和该接收方的经典信道来向彼此宣告信息,该信息包括由该发 射方和该接收方中的每一个获得的对于该复合量子系统的测量结果的一部分;以及比较所宣告的部分信息,以生成该量子加密密钥。6.根据权利要求1的方法,其中,该发射方和该接收方构成用于提供至少两条路径的 干涉仪,其中,由该干涉仪提供的至少一条路径被禁闭到该发射方的内部。7.根据权利要求6的方法,其中,所述复合量子系统包括通过由该干涉仪提供的路径 分别前行的子量子系统,其中,使用通过由该干涉仪提供的路径分别前行的子量子系统之间的干涉现象来生成 所述量子加密密钥。8.根据权利要求7的方法,其中,通过所述子量子系统之间的干涉相消来获得该量子 加密密钥,该干涉相消由对于该子量子系统的测量所导致。9.根据权利要求1的方法,其中,该发射方包括第一和第二量子检测装置,而该接收方 包括量子态选择装置和第三量子检测装置,其中,该发射方允许该复合量子系统处于由该发射方随机选择的第一量子态中,并且 测量在第一和第二量子检测装置中是否检测到用于构成复合量子系统的量子,并且该接收方通过该量子态选择装置来测量入射到该接收方的子量子系统是否是第二量 子态,该第二量子态由该接收方来随机地选择。10.根据权利要求9的方法,其中,如果第一和第二量子态彼此正交,则在该第二量子 检测装置中测量到用于构成该复合量子系统的量子,而如果第一和第二量子态一致,则在 第一、第二、和第三量子检测装置之一中测量用于构成该复合量子系统的量子,其中,该量子加密密钥使用在该第一量子检测装置中测量的量子来生成。11.根据权利要求1的方法,其中,所述量子是具有在多于两个极化状态之中随机选择 的一个极化状态的光子,并且该生成量子加密密钥的步骤包括测量该光子的极化状态,其中,将所测量的该光子的极化状态用于生成该量子加密密钥或确定是否存在窃听。12.—种量子加密系统,包括发射方和接收方,通过量子信道和经典信道而彼此连接,其中,将该发射方和该接收方配置为允许用于生成量子加密密钥的量子的实际路径不 穿过该量子信道,并且允许将该实际路径禁闭到该发射方的内部。13.根据权利要求12的量子加密系统,其中,该发射方包括量子生成装置和量子检测 装置,该量子生成装置用于生成具有在多个量子态之中随机选择的一个量子态的量子,该 量子检测装置用于检测该量子及其量子态,其中,将所述量子态用作用于生成该量子加密密钥的比特值。14.根据权利要求12的量子加密系统,其中,该发射方和该接收方构成用于提供至少 两条路径的干涉仪,其中,将由该干涉仪提供的至少一条路径禁闭到该发射方的内部。15.根据权利要求14的量子加密系统,其中,所述干涉仪是迈克尔逊干涉仪或马赫...

【专利技术属性】
技术研发人员:卢泰坤
申请(专利权)人:韩国电子通信研究院
类型:发明
国别省市:KR

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