量子密码中BB84协议的信息论研究_曾贵华

量子密码学的发展与应用研究量子密码学是一种基于量子力学原理的密码学，它在信息安全领域具有重要的应用前景。

随着量子计算和通信技术的快速发展，量子密码学正逐渐成为解决传统密码学所面临问题的一种有效手段。

本文将探讨量子密码学的发展历程和目前的应用研究。

量子密码学的发展可以追溯到上世纪80年代，当时的研究主要集中在理论方面。

1984年，物理学家Bennett和Brassard提出了著名的BB84协议，它是第一个实现量子密钥分发的方案。

通过利用量子纠缠和不可克隆性原理，BB84协议能够保证密钥的安全性，防止被窃听和篡改。

随后，研究者们相继提出了一系列的量子密码协议，如E91协议、B92协议等，进一步推动了量子密码学的研究。

随着量子计算和通信技术的快速发展，量子密码学逐渐从实验室走向了实际应用。

其中最具代表性的应用领域就是量子密钥分发(QKD)技术。

量子密钥分发是一种通过量子通信来分发密钥的方法，它可以实现安全的密钥传输，而且能够检测到是否有第三方进行了窃听。

量子密钥分发技术已经被广泛应用于金融、军事、政府等领域的保密通信中。

除了量子密钥分发，量子密码学还有其他一些应用。

例如，量子认证技术可以实现信息发送者的身份认证，保证信息的完整性和真实性。

量子密码学还可以用于量子隐形传态，即通过量子纠缠实现信息的隐蔽传输，这在军事情报交流等领域具有重要意义。

尽管量子密码学在理论和应用方面都取得了一定的成果，但仍然面临一些挑战和限制。

首先，量子密码学的实现需要精确控制和测量，技术难度相对较高。

其次，量子密码学的设备成本较高，限制了其在实际应用中的推广。

此外，量子密码协议仍然存在一些安全性假设，需要进一步的研究和改进。

为了克服这些挑战，研究者们正在努力推动量子密码学的发展。

一方面，他们致力于改进量子密钥分发技术，提高其传输速率和安全性。

另一方面，他们也在研究新的量子密码协议，以满足不同场景下的安全需求。

同时，还有一些研究集中在量子计算和量子通信的发展，以提供更可靠的量子密码学基础设施。

量子通信网络中的安全传输协议研究量子通信技术是一种基于量子物理原理的新兴通信技术，它具有安全性极高的特点，被视为未来信息通信领域的重要发展方向。

在量子通信网络中，安全传输协议的研究是确保通信数据的保密性和完整性的关键。

在传统的通信网络中，信息的传输过程容易受到窃听、篡改和假冒等各种安全威胁。

而量子通信网络采用量子比特作为信息的传输单位，利用量子力学的原理保证信息的安全传输。

一种常用的量子通信网络安全传输协议是量子密钥分发协议（QKD）。

量子密钥分发协议利用了量子测量的隐秘性以及量子态的不可复制性原理，实现了安全的密钥分发。

基于不可克隆的量子态特性，密钥分发的过程是无法被窃听者感知和干扰的。

量子密钥分发协议可以确保密钥的机密性，从而保护传输数据的安全性。

在量子密钥分发协议中，常用的方法包括BB84协议和E91协议。

BB84协议是最基础的量子密钥分发协议，它利用了量子比特的两种不同的测量基即垂直基和对角基，通过发送方和接收方的相互确认，可以有效地检测到窃听行为。

E91协议则利用了量子纠缠的特性，可以更高效地分发密钥。

除了量子密钥分发协议，还有一些其他的量子通信网络安全传输协议被研究和提出。

例如基于量子重编码的量子通信安全传输协议，可以利用纠缠态的特性来提高传输效率。

另外，基于时间分辨的量子通信安全传输协议也被提出，利用了量子比特的时间特性来提高传输速度和安全性。

这些协议在理论和实践中都具有很大的研究价值。

虽然量子通信技术具有很高的安全性，但是仍然存在一些安全性挑战和攻击手段。

例如，量子信道本身可能受到攻击或者窃听，量子比特的传输可能受到干扰，密钥分发过程中可能存在中间人攻击等。

为了应对这些挑战，研究人员提出了一系列的安全加密算法和协议。

一种常见的安全加密算法是采用量子密钥分发协议的基础上，结合经典的密钥加密算法来进行数据的加密和解密。

通过利用量子密钥分发协议建立起密钥，然后使用传统的对称加密算法（如AES算法）来进行数据加密，可以提高传输数据的安全性。

量子密码学在信息安全领域的应用研究随着信息技术的飞速发展，信息安全问题日益受到关注。

在现代信息交流中，数据传输的保密性与完整性是最基本的要求。

而量子密码学的出现，为信息安全提供了一种全新的解决方案。

本文将在科普的基础上，介绍量子密码学的基本概念和技术特点，以及在信息安全领域的应用研究现状和前景。

第一章量子密码学基本概念1.1 量子的基本概念量子是指能量在某些情况下的最小单位。

在经典物理学当中，物体的状态确定，能量的传递遵从能量守恒定律。

而在量子物理学中，物体的状态有可能是不确定的，能量的传递遵循概率规律。

这种不确定性在许多领域中都有应用，如量子力学、量子通信、量子计算等。

1.2 量子密钥分发量子密钥分发是量子密码学的基础。

通过光子（量子）的传递，利用光子的特性进行随机性测量，使得密钥的分发过程不被窃听者所感知。

在量子密钥分发过程中，常用的协议主要包括BB84协议和E91协议。

其中，BB84协议是最为广泛应用的一种量子密钥分发协议。

1.3 量子特性量子的特性体现在以下几个方面：（1）量子叠加态量子叠加态是指两个或多个量子态以特定的比例叠加，形成新的量子态。

这种量子态的存在是量子计算所必须的前提条件。

通过量子叠加态，量子计算机可以同时处理多个数据，大大提高了计算速度。

（2）量子纠缠态量子纠缠态是指两个或多个量子态之间存在特定的关联关系，即无论两个量子之间的距离有多远，它们都会同时发生相应的变化。

这种特性可以应用于量子网路和量子密钥分发中。

1.4 量子加解密技术量子加解密技术是利用量子计算和量子态之间的特性，对信息进行加密和解密。

与传统加密方法相比，量子加解密技术具有以下特点：（1）随机性：利用量子纠缠态和量子的叠加态特性，实现加密和解密的全过程都是随机的，难以被破解。

（2）实时性：量子加密和解密都是实时的，不需要存储密钥，可以有效避免密钥被盗用的风险。

（3）不可复制性：量子态无法被复制，因此量子加密和解密是安全可靠的。

量子密钥分发的安全协议与应用随着信息技术的快速发展，信息安全问题也日益突出。

传统的加密方法在面对计算机的强大计算能力时逐渐显露出安全性不足的问题。

为了解决这一问题，量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）技术应运而生。

本文将介绍量子密钥分发的安全协议与应用，以及其在信息安全领域的前景。

一、量子密钥分发的基本原理量子密钥分发的基本原理是利用量子力学的原理实现信息的安全传输。

量子力学中的不确定性原理保证了信息传输的安全性。

在量子密钥分发中，发送方通过发送一系列的量子比特（qubit）给接收方，接收方通过测量这些量子比特来获得密钥。

由于量子比特在传输过程中容易受到干扰，所以只有发送方和接收方之间共享的密钥才是安全的。

二、量子密钥分发的安全协议1. BB84协议BB84协议是量子密钥分发中最经典的协议之一。

在BB84协议中，发送方随机选择将量子比特设置为0或1，并将它们以不同的方式发送给接收方。

接收方在接收到量子比特后，也随机选择测量的方式。

通过比较发送方和接收方的测量结果，可以检测出是否存在窃听者，并进一步筛选出安全的密钥。

2. E91协议E91协议是一种基于量子纠缠的密钥分发协议。

在E91协议中，发送方和接收方通过量子纠缠的方式共享密钥。

通过测量纠缠态的相关性，可以判断是否存在窃听者。

E91协议相比于BB84协议具有更高的安全性，但是实现起来更加复杂。

三、量子密钥分发的应用1. 信息安全通信量子密钥分发技术可以用于保护通信中的信息安全。

通过量子密钥分发，通信双方可以共享一个安全的密钥，用于加密和解密通信内容。

即使窃听者获取了通信内容，由于没有密钥无法解密，从而保证了通信的安全性。

2. 金融安全量子密钥分发技术可以应用于金融领域，保护交易的安全性。

在金融交易中，安全的密钥是保证交易双方身份认证和交易信息保密的基础。

通过量子密钥分发，可以生成一个安全的密钥，用于加密交易信息，防止黑客攻击和信息泄露。

附件6 编号学士学位论文量子密码的理论与技术研究学生姓名：学号：系部：专业：年级：指导教师：完成日期：20 年月日摘要密码技术是信息安全领域的核心技术，在当今社会的许多领域都有着广泛的应用前景。

而量子密码技术是密码技术领域中较新的研究课题，它的发展对推动密码学理论发展起了积极的作用。

量子密码是以密码学和量子力学为基础、利用量子物理学方法实现密码思想的一种新型密码体制，与当前普遍使用的以数学为基础的密码体制(以下简称为数学密码)相比，它比数学密码的最大优势是具有可证明安全性和可检测性，这是因为量子密码的安全性是由量子物理学中量子不可克隆性和海森堡的测不准原理来保证的，而不是依靠某些难解的数学问题。

由于量子光通信以及量子计算越来越重要，量子密码具有良好的前景。

量子密码方案具有无条件安全性和对扰动的可检测性两大主要优势，另外还具有防电磁干扰、抵抗具有超强计算能力的计算系统的攻击。

我相信量子密码在信息保护中将发挥重要的作用，潜在着巨大的应用和市场前景。

本文探讨了量子密码技术的基本理论与相关技术等问题。

关键词：密码技术；量子密码技术；量子物理；量子不可克隆性；测不准原理。

1AbstractPassword technology is a core technology in the field of information security, in many areas of today's society has a broad application prospect. The quantum cryptography technology is a new research topic in the area of cryptography, it is to promote the development of cryptography theory development plays a positive role. Quantum cryptography based on cryptography and quantum mechanics with quantum physics method, the password is an idea of a new type of cryptography, and the current commonly used mathematical based cryptosystem (hereinafter referred to as the password for mathematics), compared to it than math password the biggest advantage is to have to prove that security and detection, this is because the security of quantum cryptography is by quantum physics quantum cloning inevitability and Heisenberg's uncertainty principle to ensure that, rather than relying on some hard mathematical problems. Due to the quantum optical communication and quantum computation is more and more important, quantum cryptography has good prospects. Quantum cryptography scheme with unconditional security and the disturbance detection can be two major advantages, it also has anti electromagnetic interference, resistance with super computing power of computing systems. I believe that quantum cryptography will play an important role in information protection, the huge potential application and market prospect. This paper discusses the basic theory of quantum cryptography technology and related technical problems.Key words：Password technology；quantum cryptography technology；quantumphysics；quantum cannot be cloned；the uncertainty principle.2目录摘要 (1)ABSTRACT (2)第一章引言 (5)1.1密码学概述 (5)1.1.1经典密码学 (5)1.1.2量子密码学 (5)1.1.3经典密码与量子密码的区别 (6)1.2国内外研究现状 (6)1.2.1我国的量子密码技术的研究 (6)1.2.2国外的量子密码技术的研究 (7)第二章量子密码技术的理论基础 (8)2.1基础知识 (8)2.1.1光子的偏振现象 (8)2.1.2量子比特 (8)2.1.3量子叠加态 (8)2.2量子密码技术的基本原理 (8)2.2.1Heisenberg 测不准原理 (8)2.2.2量子不可克隆定理 (9)2.2.3量子态叠加原理 (9)2.3常用量子效应 (9)2.3.1量子纠缠态 (9)2.3.2量子隐形传态(quantum teleportation) (10)第三章量子密码技术 (11)3.1量子密钥分配 (11)3.2量子密秘共享 (11)3.3量子认证 (11)3.3.1量子消息认证. (11)3.3.2量子身份认证 (12)3.4量子密钥分发协议 (12)3.4.1 BB84协议 (12)3.4.2 B92协议 (14)3.4.2 E91协议 (14)第四章量子密码技术的展望 (15)34.1量子密码技术发展前景 (15)4.2未来量子密码应用的领域 (16)4.2.1军事领域[7] (16)4.2.2政府机关 (16)4.2.3网络安全 (16)第五章量子密码亟待解决的问题 (17)5.1量子密钥分配协议在实验上的改进 (17)5.2更纯的单光子源 (17)5.3光子检测器的研发[9] (17)5.4量子传输与现有网络的结合 (18)第六章结束语 (19)参考文献 (20)致谢 (21)45第一章 引言自密码学诞生以来，它的重要基础理论就是数学。

信息安全中的量子密码技术研究随着数字化时代的到来，信息安全问题日益成为人们关心的焦点。

与此同时，量子计算技术的迅猛发展也让传统密码技术面临巨大的挑战。

在这样的背景下，量子密码技术逐渐崭露头角，成为当前研究的热点之一。

一、量子密码技术的概念量子密码技术是指利用量子物理原理来保护信息传输过程中的机密性、完整性和不可否认性的一种安全通信技术。

其与传统密码技术最大的不同在于，传统密码技术是基于计算难题的，而量子密码技术则是基于物理难题的。

其中，最核心的概念莫过于量子态的不可克隆性(Quantum No-Cloning Theorem)。

这一概念表明，任何尝试将一个未知的量子态复制到另一个量子系统中的企图都会导致该态被破坏，因此不存在可以完全安全地复制和窃取量子态的办法。

二、量子密码技术的原理量子密码技术是通过对量子态进行测量来实现加密和解密的。

具体来说，量子密码技术主要包括两种加密方式：BB84协议和E91协议。

其中，BB84协议基于对量子态的测量实现密钥分发，E91协议则借助量子纠缠的特性来实现密钥共享。

BB84协议是量子密码技术中最早被提出的一种协议，其基本思想是：发送方将要传输的信息经过编码，按照一定的随机规则将信息量子态传输给接收方。

接收方在接收到信息后，对每个传输的量子态进行自己的随机测量，只有当发送方和接收方选择的测量方式完全一致时，传输的信息才能被正确解码。

当攻击者试图窃取传输信息时，其会对量子态进行测量，导致其被破坏。

E91协议则是基于量子纠缠(Einstein-Podolsky-Rosen EPR)的特性来实现密钥共享。

在该协议中，发送方和接收方之间共享一对纠缠状态量子态。

通过对纠缠态进行测量，发送方可以将信息传递给接收方，并保证传输的信息是安全的。

如果攻击者试图在传输过程中获取信息，其存在干扰纠缠态的风险，从而无法获取真实的信息。

三、当前量子密码技术研究的难点尽管量子密码技术具有很高的安全性和不可破解性，但其也存在着很多的挑战和限制。

量子密码发展研究一、引言随着计算机网络技术的持续、快速发展，网络通讯、电子商务、电子政务、电子金融等应用使我们越来越多地依赖网络进行工作和生活，大量敏感信息需要通过网络传输，人们需要对自己的信息进行保护以免被窃取或篡改，密码学为我们提供了有力的保证。

而随着密码学的发展，量子密码开始走入人们的视线。

量子密码是以现代密码学和量子力学为基础、量子物理学方法实现密码思想和操作的一种新型密码体制。

这种加密方法是用量子状态来作为信息加密和解密的密钥。

量子的一些神奇性质是量子密码安全性的根本保证。

与当前普遍使用的以数学为基础的密码体制不同，量子密码以量子物理原理为基础，利用量子信号实现。

与数学密码相比，量子密码方案具有可证明安全性（甚至无条件安全性）和对扰动的可检测性两大主要优势，这些特点决定了量子密码具有良好的应用前景。

随着量子通信以及量子计算术的逐渐丰富与成熟，量子密码在未来信息保护技术领域将发挥重要作用。

（一）量子密码的起源最早想到将量子物理用于密码术的是美国科学家威斯纳（Stephen Wiesner）。

他于1970年提出，可利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。

但这个设想的实现需要长时间保存单量子态，不太现实，并没有被人们接受，但他的研究成果开创了量子密码的先河，在密码学历史上具有划时代的意义。

直到1984年贝内特（Charles H. Bennett）和布拉萨德（Gilles Brassard）提出著名的量子密钥分配协议，也称为BB84方案，由此迎来了量子密码术的新时期。

5年后，他们在实验室里进行了第一次实验，成功地把一系列光子从一台计算机传送到相距32CM的另一台计算机，实现了世界上最安全的密钥传送。

1992年，贝内特又提出一种更简单但效率减半的方案，即B92方案。

经过30 多年的研究，量子密码以及发展成为密码学的一个重要分支。

（二）量子密码的基本特征密码学之所以能够被人们接纳，并成为受到密码学界、物理学界、商家、媒体、政府部门等个方面广为关注的密码学分支和保护信息的重要技术手段之一，主要原因在于量子密码本身的独特属性。

基于BB84协议的量子密钥分发系统研究
黄开国;王衍波;张启业;王晓;何敏
【期刊名称】《计算机技术与发展》
【年(卷),期】2013(23)6
【摘要】量子密码技术提出以后,得到了人们的普遍关注,它是目前唯一能够证明的绝对安全的保密通信方式.随着量子信息技术的发展,量子密钥分发技术开始从理论走向实际应用.为了研究在实际量子密钥分发系统中各部件对密钥分发效率的影响,提高密钥分发速率,对基于BB84协议的光纤量子密钥分发系统进行建模分析,研究了影响密钥分发效率的参数.数值仿真表明:准单光子源中平均光子数和光纤长度是影响最终密钥协商速率的关键参数.为进一步提高量子密钥分发系统的效率提供了参考.
【总页数】4页(P147-150)
【作者】黄开国;王衍波;张启业;王晓;何敏
【作者单位】解放军理工大学,江苏南京210007;解放军理工大学,江苏南京210007;解放军理工大学,江苏南京210007;解放军理工大学,江苏南京210007;解放军理工大学,江苏南京210007
【正文语种】中文
【中图分类】TP309
【相关文献】
1.基于BB84协议的光纤量子密钥分发实验 [J], 盖永杰;严冬;韩家伟;吴佳楠;宋立军
2.用于BB84相位编码量子密钥分发系统的不间断式主动相位补偿方案 [J], 方俊彬;魏正军;王金东;廖常俊;刘颂豪
3.基于BB84协议的量子密钥分发模拟实验 [J], 孙茂珠;
4.基于BB84的多用户量子密钥分发协议 [J], 谢玲
5.基于BB84协议的低轨卫星下行量子密钥分发链路评估 [J], 耿健;金文;闫新峰;赵雅琴;房伟红
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bb84协议的易懂的解释（最新版）目录1.BB84 协议的概念与背景2.BB84 协议的原理3.BB84 协议的优缺点4.BB84 协议的应用及发展前景正文1.BB84 协议的概念与背景BB84 协议，全称 Bennett-Brassard 1984 协议，是由 Charles Bennett 和 Gilles Brassard 于 1984 年提出的一种量子密钥分发协议。

该协议是量子密码学的一个重要里程碑，理论上可以实现无条件安全。

它基于量子力学的原理，利用光子的偏振方向等量子特性来传输信息，从而实现密钥的安全分发。

2.BB84 协议的原理BB84 协议的核心思想是利用量子态的不可克隆性，通过发送方和接收方共享一个随机的、不可预测的量子态，从而实现安全的密钥分发。

具体来说，发送方首先将信息编码到量子态中，然后通过信道发送给接收方。

接收方收到量子态后，通过对其进行测量，得到一个随机的密钥。

由于量子态的不可克隆性，任何第三方试图窃听这个过程，都会导致量子系统的测量值发生变化，从而被发送方和接收方发现。

3.BB84 协议的优缺点BB84 协议的优点主要有以下几点：（1）理论上可以实现无条件安全：BB84 协议是基于量子力学原理设计的，只要遵循协议的规定，窃听者无法获取通信双方的密钥，从而确保了通信的安全性。

（2）适用于长距离通信：相较于传统的密钥分发协议，BB84 协议在长距离通信中的性能更优，因为量子态在传输过程中几乎不会受到衰减和噪声的影响。

然而，BB84 协议也存在一些缺点：（1）技术要求较高：BB84 协议要求使用单光子源，并且需要对光子的偏振方向等量子特性进行精确的测量，因此技术实现难度相对较大。

（2）抗干扰信道要求：BB84 协议的安全性依赖于抗干扰信道，即在信道中传输量子态时，需要确保信道具有一定的抗干扰能力。

4.BB84 协议的应用及发展前景尽管 BB84 协议在技术实现上存在一定的挑战，但它在量子通信领域具有重要的应用价值。

基于BB84的多用户量子密钥分发协议谢玲1，2（1．南京理工大学紫金学院，江苏南京210046；2．南京大学计算机科学与技术系，江苏南京210000）摘要：BB84协议是目前最接近实用化的量子密钥分发（QKD）协议。

点对点的量子密钥分发系统已经可以商用，但现有的多用户量子密钥分发协议都是采用量子纠缠、量子存储等技术手段进行密钥分发，在现有的技术条件下只能停留在理论阶段，离工程应用还有较长的距离。

该文提出了一种基于BB84的多用户量子密钥分发协议，将计算机通信技术应用到量子保密通信中，实现一对多的量子通信网络的量子密钥分发，并从理论和实验结果两方面分析其可行性。

关键词：量子保密通信；量子密钥分配；多用户；BB84中图分类号：TP399文献标识码：A DOI：10．19358/j．issn．1674-7720．2016．11．021引用格式：谢玲．基于BB84的多用户量子密钥分发协议［J］．微型机与应用，2016，35（11）：66-69．Multi-user quantum key distribution protocol based on BB84Xie Ling1，2（1．Zijin College，Nanjing University of Science＆Technology，Nanjing210046，China；2．Department of Computer Science and Technology，Nanjing University，Nanjing210000，China）Abstract：The BB84is the most practical quantum key distribution（QKD）protocol at present．Point-to-point QKD system has been used in commercial applications．However，most multi-user QKD（MUQKD）protocols can only be implemented theoretically under current technical condition and there is a long distance from engineering applications，because they mainly use entanglement and quantum memory to distribute keys．The paper proposes a multi-uesr QKD protocol based on BB84in which computer communication technology is applied to quantum secure communication．The protocol is used to realize quantum key distribution of one-to-many quantum network．The feasibility of this protocol from both theoretical and experimental results is analyzed in the end．Key words：quantum secure communication；quantum key distribution；multiple users；BB840引言当今世界，信息的安全至关重要，信息安全中最核心的技术是经典密码技术。