量子密钥分配协议SARG04的性能研究报告

量子密钥分配的研究
张仕斌;何大可
【期刊名称】《计算机工程与应用》
【年(卷),期】2003(039)033
【摘要】在对称密码体制中,其加密密钥和解密密钥是相同的.加密信息的安全性取决于密钥的安全性,与算法的安全性无关,即由密文和加解密算法不可能得到明文.该文根据量子密钥分配原理,提出了实现对称密码体制密钥的绝对保密的量子密钥分配协议.理论分析表明这种密钥分配协议是安全可靠的.
【总页数】3页(P42-44)
【作者】张仕斌;何大可
【作者单位】西南交通大学计算机通信与工程学院,成都,610031;成都信息工程学院龙泉校区计算机系,成都,610103;西南交通大学计算机通信与工程学院,成
都,610031
【正文语种】中文
【中图分类】TP309
【相关文献】
1.设备无关量子密钥分配方案研究 [J], 王潋;周媛媛;周学军
2.有限长量子密钥分配认证的信息泄露研究 [J], 鲍皖苏;李宏伟;周淳
3.有限长量子密钥分配认证的信息泄露研究 [J], 鲍皖苏;李宏伟;周淳;
4.弹性光信息网络中考虑节点安全性的量子密钥分配研究 [J], 孔姝睿;王艳丽
5.温度或盐度对水下量子密钥分配影响的研究 [J], 沈园;赵士成;于永河;马晓平;肖芽;李文东;顾永建
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量子密钥分
量子密钥分发（Quantum Key Distribution，简称QKD）是一
种基于量子力学原理的密钥分发方法，可以实现绝对安全的密钥分发。

传统的密钥分发方法通常基于数学算法，通过传送加密数据来分发密钥，但是这些方法在理论上可以被破解。

而量子密钥分发利用了量子的特性，可以检测到任何对密钥分发过程的窃听或干扰。

QKD的原理是利用量子态的特性进行密钥分发。

发送方通过
将待分发的密钥表达为一串量子态发送给接收方，然后两个通信方进行量子态的测量，并对测量结果进行比对。

通过量子态的测量和比对，可以判断是否存在窃听或干扰，并对密钥进行纠错和扩展，最终实现安全的密钥分发。

QKD的安全性基于量子力学的不可克隆性和量子态的态变化。

由于量子态的测量会破坏量子态的特性，任何对量子态进行窃听或干扰的尝试都会被检测到，从而保证密钥的安全性。

由于量子力学的基本原理是不可逆的，所以无法通过技术手段破解QKD。

虽然QKD在理论上是绝对安全的，但是在实际应用中，仍然
存在一些技术挑战和限制。

例如，量子信道的高要求、设备的复杂度和成本等问题。

然而，随着量子技术的发展和进步，QKD有望在未来成为一种重要的安全通信手段。

测量设备无关量子密钥分配的实用化研究在当今的信息社会,信息安全的重要性不言而喻。

小到个人隐私,大到政务,金融,以至于国防,都与其息息相关。

尤其是在信息科技飞速发展的今天,如何确保信息存储与传输的安全,已然成为一个意义异常重大的课题。

然而,目前被广泛应用的公钥密码体制基于复杂的数学问题,其安全性首先并未得到严格证明。

而且随着二十世纪末量子信息技术的发展,特别是量子计算技术的研究与进展,对此类数学密码的安全性提出了新的挑战。

为了应对新世纪的信息安全威胁,一种基于量子物理规律的新型密码学类型,量子密码学,由C.H.Bennet和G.Brassard于1984年提出,并逐渐得到世界范围内广泛的研究与应用。

量子密码学的基本原理即是在量子物理定律约束的条件下,利用量子态的特殊性质,合法通信方能够容忍、检测并剔除窃听者在传输信道中任意可能的窃听,解决了远距离通信方之间密钥分配的难题。

结合已被证明理论上绝对安全的“一次一密”加密方案,则可以构建理论上无条件安全的保密通信系统。

相较于数学密码,量子密码学建立在物理系统之上,其理论上的“绝对安全性”受限于实际材料、器件的非完美特性,以及制备、测量过程中的偏差等不可避免的现实因素,使得量子密钥分配系统的实际安全性研究成为其实用化过程中至关重要的部分。

测量设备无关量子密钥分配协议(MDIQKD),作为目前可实地部署的安全性最高的量子密钥分配协议,可以自然地抵御所有可能的针对测量端的攻击,避免了大部分实际安全隐患。

所以自从提出以来,MDIQKD便受到了广泛的关注与研究。

从目前的研究现状来看,主要有两个方面。

第一,由于MDIQKD协议对实验系统提出了更高的要求,所以如何实现稳定、高速的MDIQKD部署则成为了一个关键的问题。

第二,由于MDIQKD系统的安全性仍然要求完美的量子态制备,所以对系统的实际安全性,特别是光源安全性的研究便尤为重要。

本文以MDIQKD的实用化为主要内容,针对以上两个方面,完成了包括测量设备无关类量子密钥分配协议的实验研究,器件非完美性分析和真随机数研究等,主要研究成果概括如下:1.针对实际量子密钥分配系统的测量端设备易受攻击以及通信双方编解码参考系需要时常校准的问题,我们设计并实现了参考系测量设备双无关量子密钥分配系统。

随着互联网技术的不断发展和普及，网络信息安全的重要性与日俱增。

2013年“棱镜门”信息安全事件的发生，使得保障信息安全、防止窃听受到了各国的高度重视。

经典密码安全建立在计算安全性之上，其中破解年限成为评估计算安全性的主要指标。

然而，以大数质因子分解的量子计算方法的提出为例，对于用超级计算机需要几十年才能破解的2 048位密钥的RSA加密算法，如果量子计算机具有2 000个量子比特，则破解该算法只需要几个小时。

可见，计算安全性受到了严重威胁。

量子密钥分发基于量子力学的基本原理，包括测量塌缩理论、海森堡不确定原理和量子不可克隆定律，可以实现理论上无条件安全的密钥分发。

1984年，Bennett和Brassard提出第一个量子密钥分发协议——BB84协议。

2000年，BB84协议被证明是无条件安全的。

然而，BB84协议是针对点对点应用的，且由于传输损耗等原因，实现BB84协议的设备通信距离有限。

因此，在实际应用中，需要设计和建设量子密钥分发网络，以解决多用户、远距离等应用需求。

本文重点针对量子密钥分发组网方案进行研究。

第1节介绍国内外量子密钥分发网络现状，引出基于经典光学器件的网络方案和基于可信中继的网络方案两类主要方案。

第2节和第3节分别对两类方案进行分析论述，并在第4节对一种安全性更优但尚不实用的基于量子中继的网络方案进行分析论述，最后在第5节对比几种组网方案的优缺点，总结并提出量子密钥分发网络的一般性设计思想。

#1 量子密钥分发网络现状1.1 国外量子密钥分发网络2002—2007年，在美国国防高级研究规划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）资助下，BBN公司、哈佛大学和波士顿大学联合开发了第一个实地建设的量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）网络，如图1所示。

该QKD网络最终包含10个节点，其中4个节点使用光纤相位QKD 系统，使用2×2光开关切换；4个节点采用自由空间QKD系统，通过可信中继的方式接入；2个节点采用偏振纠缠的光纤QKD系统，通过可信中继的方式接入。

量子密钥分配技术简介量子密钥分配技术（Quantum Key Distribution，QKD）是一种基于量子力学原理的安全通信方法，用于在通信双方之间建立安全的密钥。

相比传统的加密算法，量子密钥分配技术具有更高的安全性和不可破解性。

在传统的加密算法中，加密和解密所使用的密钥需要通过非安全信道进行传输，这就给黑客提供了攻击的机会。

而量子密钥分配技术利用了量子力学中不可克隆定理和观测效应，确保了密钥传输过程中的安全性。

原理量子密钥分配技术主要基于两个重要概念：不可克隆定理和观测效应。

1.不可克隆定理：根据这个定理，在量子力学中，无法对一个未知态进行完全复制。

也就是说，如果黑客试图窃取通信中的信息，他就会改变原始信息并被检测到。

2.观测效应：在观察一个粒子时，其状态会发生变化。

如果黑客试图窃听通信过程中的信息，他就会改变粒子的状态，并被通信双方检测到。

基于以上原理，量子密钥分配技术的过程如下：1.量子密钥生成：通信双方（Alice和Bob）使用一种特殊的量子系统（例如，光子）来生成一串随机的比特序列。

这个过程中，Alice会随机选择不同的量子态（例如，0和1）发送给Bob。

2.量子态测量：Bob收到Alice发送的量子态后，使用一组适当的测量设备对其进行测量。

这些测量设备会随机选择不同的基准（例如，X、Y、Z轴），并记录每次测量结果。

3.公开讨论：Alice和Bob通过公开讨论的方式交流他们在每次测量中使用的基准。

他们会比较一小部分样本数据，并检查是否有黑客试图窃听或篡改信息。

4.密钥提取：通过剔除公开讨论中可能被黑客窃听或篡改的部分数据，Alice和Bob可以提取出一个安全的密钥。

这个密钥可以用于加密通信过程中的数据。

特点相比传统加密算法，量子密钥分配技术具有以下特点：1.安全性：由于利用了不可克隆定理和观测效应，量子密钥分配技术提供了更高的安全性。

即使黑客试图窃听通信过程中的信息，他也会被检测到，并无法获得有效的密钥。

量子通信研究报告一、引言在当今科技飞速发展的时代，通信技术的革新始终是推动社会进步的关键力量之一。

量子通信作为一种新兴的通信方式，正以其独特的优势和巨大的潜力，引领着通信领域的变革。

二、量子通信的基本原理量子通信是基于量子力学原理来实现信息传递的。

其中最为关键的概念是量子态的叠加和纠缠。

量子态的叠加意味着一个量子系统可以同时处于多个状态的叠加态，直到被测量时才会坍缩到一个确定的状态。

而量子纠缠则是指两个或多个量子系统之间存在一种非经典的关联，即使它们相隔很远，对其中一个系统的测量会瞬间影响到另一个系统的状态。

利用这些特性，量子通信可以实现绝对安全的密钥分发。

因为一旦有人试图窃听量子通信过程，就会不可避免地对量子态造成干扰，从而被通信双方察觉。

三、量子通信的主要技术（一）量子密钥分发（QKD）这是目前量子通信中最为成熟和实用的技术。

通过量子信道传输密钥，再结合传统的加密算法对信息进行加密传输，确保信息的安全性。

（二）量子隐形传态能够在不传输量子态本身的情况下，将量子态的信息传递到远处的另一个量子系统中。

（三）量子密集编码可以在单个量子比特上编码更多的信息，提高通信的效率。

四、量子通信的优势（一）安全性极高由于量子力学的基本原理，量子通信能够提供理论上无条件安全的通信方式，从根本上杜绝了信息被窃听和破解的可能。

（二）通信效率高在某些情况下，量子通信可以实现比传统通信方式更高的信息传输效率。

（三）抗干扰性强量子态的特性使得量子通信对环境干扰具有较强的抵抗能力。

五、量子通信的应用领域（一）军事领域军事通信对安全性的要求极高，量子通信能够为军事指挥、情报传递等提供可靠的保密通信手段。

（二）金融行业金融交易中的信息安全至关重要，量子通信可以保障金融数据的安全传输和存储。

（三）政务领域政府部门之间的通信往往涉及重要的机密信息，量子通信有助于提高政务通信的安全性。

（四）能源领域在能源网络的监控和控制中，量子通信能够确保数据的安全和准确传输。

基于量子计算的密码学中的量子密钥分发协议设计与分析密码学作为一门关于信息安全的学科，旨在研究如何在通信中保护信息的机密性和完整性。

近年来，随着量子计算的兴起，传统密码学面临着巨大的挑战。

传统的公钥加密算法如RSA、椭圆曲线密码等都有可能被量子计算攻击破解。

因此，基于量子计算的密码学比传统密码学更具前瞻性和安全性。

本文将重点探讨基于量子计算的密码学中的量子密钥分发协议的设计与分析。

一、量子密钥分发协议的概述量子密钥分发是基于量子力学原理实现的一种安全的密钥交换方法，其核心思想是利用量子态的特性来确保密钥交换的安全性。

量子密钥分发协议可以有效地抵抗窃听者的攻击，从而提高通信的保密性和安全性。

二、BB84协议BB84协议是量子密钥分发协议中最经典的一种，由Bennett和Brassard于1984年提出。

该协议基于单光子的量子态，通过Alice和Bob之间的量子通信实现密钥的分发。

其主要步骤包括：1. 量子比特的制备：Alice随机选择比特值和比特基，制备相应的量子态，并将其发送给Bob。

2. 基础公布：Alice和Bob公开自己选择的比特基，但不公开具体的比特值。

3. 比特值公布：Alice和Bob公开自己的比特值。

4. 比特值筛选：Alice和Bob利用比特基的信息进行筛选，保留两者选择了相同基的比特。

5. 随机样本测试：Alice和Bob随机选择一部分比特进行样本测试，以验证信道的安全性。

6. 密钥提取：Alice和Bob根据筛选后的比特值，通过纠错码等方式提取密钥。

三、EKERT协议EKERT协议是另一种常用的量子密钥分发协议，由Bennett和Brassard于1991年提出。

该协议借助于量子纠缠态来分发密钥，其主要步骤包括：1. 量子比特的制备：Alice和Bob各自制备一对纠缠态，并保持在量子通道传输。

2. 比特基的测量：Alice和Bob分别随机选择比特基进行测量，并记录测量结果。

3. 确认公布：Alice和Bob公开自己选择的比特基。

量子密钥分配协议
罗云梅
【期刊名称】《计算机安全》
【年(卷),期】2011(000)007
【摘要】本文首先简要阐述了量子密码技术应用的量子力学基础,然后详细介绍了目前常用的量子密钥分配协议.
【总页数】3页(P58-60)
【作者】罗云梅
【作者单位】广东电网公司惠州供电局,广东惠州516001
【正文语种】中文
【相关文献】
1.一种基于树型网络的可验证多方量子密钥分配协议 [J], 沙倚天;李天一;贾玮;姚铭艺
2.双场干涉量子密钥分配协议及其改进综述 [J], 刘冰;孙莹;陈小明;刘欣瑞
3.一种基于[7,1]CSS纠错码的量子密钥分配协议 [J], 孙添资;刘世民;肖海龙;张影;冯宝
4.新型设备无关量子密钥分配协议研究 [J], 叶萌;徐立坤;黄观金;李建辉;刘云
5.基于退极化信道的量子密钥分配协议安全性能分析 [J], 张梓平;刘国军;陆旭;黄兴;刘云
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

量子密钥分发协议的量子计算机实现和安全性分析【研究方案】1. 研究背景和目的：量子密钥分发（QKD）是一种基于量子力学原理实现的安全通信方式，其利用量子态的不可克隆性和量子态测量的干扰性来实现信息传输的安全性。

本研究旨在探究量子密钥分发协议的量子计算机实现和安全性分析，通过实验和分析数据，提出新的观点和方法，为解决实际问题提供有价值的参考。

2. 研究方法：2.1 实验设计：a）选择适当的量子计算机，确保实验的可行性和准确性；b）选择一种经典密码学协议和相对应的量子密钥分发协议，用于比较和分析；c）设计实验流程和具体实验步骤。

2.2 实验实施：a）搭建实验平台，包括量子计算机系统、光学设备和相关实验仪器； b）根据实验设计，实施实验流程，收集实验数据；c）确保实验数据的准确性和可重复性。

3. 数据采集：3.1 采集数据类型：a）量子比特的测量结果；b）量子通信信道的信噪比、受干扰程度等参数；c）实验过程中产生的噪声。

3.2 数据采集方法：a）使用合适的量子计算机和量子测量设备，记录量子比特的测量结果；b）使用适当的仪器和设备，测量量子通信信道的参数；c）通过适当的设备和方法，记录实验过程中产生的噪声。

4. 数据分析：4.1 数据清理：a）对收集到的实验数据进行初步处理，排除异常值和错误数据；b）确保数据的完整性和可靠性。

4.2 数据整理：a）对清理后的数据进行分类整理，包括量子比特测量结果、通信信道参数和噪声数据；b）建立合适的数据表格和图表，以便后续分析。

4.3 数据分析方法：a）对量子比特测量结果进行概率统计分析，计算密钥分发的成功率和泄露风险；b）通过与经典密码学协议的比较，分析量子密钥分发协议的安全性； c）分析量子通信信道的参数，评估通信信道的安全性和可靠性；d）对实验中测得的噪声数据进行分析，评估对密钥分发协议的影响。

【方案实施】1. 搭建实验平台：a）选择一款合适的量子计算机，确保实验所需的性能和功能；b）选购和准备实验所需的光学设备，包括激光器、模块器件、探测器等；c）组装和调试实验平台，确保实验平台的稳定性和可靠性。