量子通信教学课件.ppt

引言－什么是量子信息 一则漫画 引言－什么是量子信息 量子信息过程遵从量子力学原理，于是可实现经典信息无法做到的新信息功能。如 量 子 密 码 量 子 通 信 网 络 量 子 计 算 … … 引言－什么是量子信息 量子不可克隆定理： 不存在物理过程可精确地复制任意量子态。 量子克隆机 A B A B ?量子密码安全性的基础 ?量子信息提取不可逾越的障碍 引言－什么是量子信息 薛定谔猫 引言－什么是量子信息 EPR效应 A EPR粒子对 B 非局域性：对A（或B）的任意测量必然会影响B（或A）的量子态，不管A和B分离多远。 量子纠缠态 A－B构成“量子通道”。 主要内容 量子计算对现代密码的挑战 量子通信的基本原理 量子密码技术的发展现状 拟定的研究方向 一、量子计算对现代密码的挑战 经典密码 对称密钥（私钥技术） 非对称密钥（公钥技术） 对称密钥（私钥技术） 非对称密钥（公钥技术） 对称密钥类似于Alice用钥匙锁住的装有信件的保险箱，Bob需用该钥匙的一个复制品来打开信箱获取信件。 非对称密钥类似于一个任何人都可以投递信件的邮箱，只有合法所有者才能打开它获得信件。 经典密码安全性 计算安全性（原理上可破译） 破译密码将耗费大量的时间和资源 例：非对称的RSA密码；对称密码DES等； 无条件安全性（原理上不可破译） 无论窃听者的能力如何强大，无法破译 例：对称密码的One time pad 例 N=129位，1994年1600台工作站花了8个月分解成功。 一旦量子计算机研制成功，用2000个Qubit的量子计算机只要1秒钟即可以分解成功。现有的基于大数分解的RSA密钥将无密可保。 ■量子计算机的诞生将攻破现有密码体系。■实现量子计算已不存在不可逾越的障碍。 ■量子技术时代，量子密码是唯一可抵抗量子计算攻击，确保信息安全的密码技术。 二、量子通信基本原理 量子通信的绝对安全性： 量子密钥分配为什么是安全的？ 以单光子(量子)携带信息, 不怕敌人分取信息; (1个光子只携带1比特信息) 量子不可克隆定律保证敌人不可能拷贝信息; 测量塌缩原理保证了敌人测量重发可以被发现!——从物理原理上保证了密钥分配的绝对安全! 发方：随机选一个信息嵌入方式,将随机的0或1编入光子的量子态,发给收方； 收方：随机选一个信息读取方式读出光子携带的0或1； 收方：告诉发方每个光子的读取方式； 发方：告诉收方哪些光子的读取方式是正确的； 双方：将信息嵌入方式和信息读取方式一致的那些比特作为密钥！ （备注：一个脉冲只含一个光子） 量子信道 经典信道 传送量子态光子 传送同步信号、对照数据等 发方 收方 0 1 量子密钥分发的实现 中科院量子信息重点实验室 1 1 0 1 1 1 0 1 具有代表性的量子密钥分配协议 单光子协议 1. BB84 （Bennett & Brassard, 1984) 2. B92 （Bennett, 1992) 3. SARG04 （Scarani, Acín, Ribordy, Gisin, 2004） EPR协议 E91 （Ekert, 1991) 三、量子密码技术的发展现状 量子密钥分配的主要实现方案 美国 NIST，Los Alamos，IBM，Stanford University … 欧洲 Toshiba Cambridge，Geneva University, University of Vienna … 日本 NEC， NTT， Mitsubishi… 加拿大 University of Toronto, University of Waterloo's, University of Montreal … 中国 中国科技大学，山西大学，清华大学，北京大学，华东师大，华南师大，… 当前主要研究小组 基于分离变量的量子密码实验研究进展 光纤QKD实验 10 km，Towsend, 1993 30 km，Towsend, 1993 55 km，Towsend, 1998 48 km 地下光纤，Los Alamos, 2000 瑞士日内瓦湖下67km光纤，Gisin, 2002 122km, Shield, 2004 (GYS) 125 km 北京—天津商用光纤, 中科大，2004 200 km 差分相位，Yamamoto, 2007 自由空间QKD 32 cm，Bennett, 1989 150 m，John Hopkins大学, 1996年 205 m，美国Los Alamos, 1998 1.6km，日光背景下，Los Alamos, 2000 10km， Los Alamos, 2002 23.4