光纖量子密鑰分配的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、密碼學(xué)有著古老歷史，在近代逐漸發(fā)展成為一門(mén)系統(tǒng)的應(yīng)用科學(xué)。密碼學(xué)的應(yīng)用非常廣泛，大到關(guān)系國(guó)計(jì)民生的軍事、國(guó)防、外交等領(lǐng)域；小到每個(gè)人每天的日常生活，如銀行帳戶(hù)存取、網(wǎng)絡(luò)郵箱管理等，都在應(yīng)用著密碼學(xué)的研究成果。 現(xiàn)今應(yīng)用的密碼學(xué)主要可以分為對(duì)稱(chēng)密鑰和非對(duì)稱(chēng)密鑰(公鑰)兩大體系。對(duì)稱(chēng)密鑰在應(yīng)用中遭遇的最大難題是如何在通信雙發(fā)之間安全的分發(fā)密鑰：公鑰體系雖然可以使用不同的加密密鑰和解密密鑰，但是其安全性是建立在計(jì)算復(fù)雜度的基礎(chǔ)之上，在

2、計(jì)算機(jī)計(jì)算能力大幅度提高的今天，特別是分布式計(jì)算出現(xiàn)和量子計(jì)算機(jī)研究的發(fā)展，使其安全性受到了前所未有的威脅。 量子密碼學(xué)是量子力學(xué)和密碼學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，它由量子力學(xué)的基本原理(測(cè)量塌縮理論、海森堡不確定原理和量子不可克隆定律)保證了：密鑰可以被安全分發(fā)，量子線路中存在的竊聽(tīng)行為可以被收發(fā)雙發(fā)檢測(cè)到。使用量子密鑰分配分發(fā)的安全密鑰，結(jié)合“一次一密”的加密方法，可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的保密通信。正是由于量子密碼技術(shù)的安全特性，使其成為了下一

3、代的保密通信技術(shù)。經(jīng)過(guò)了大量科研人員20余年的不懈努力，量子密碼技術(shù)在理論和實(shí)驗(yàn)方面都取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 本文主要總結(jié)了最近4年內(nèi)，我們?cè)诹孔用荑€分配技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)方面走過(guò)的道路和取得的主要成果。我們的實(shí)驗(yàn)研究基于通信波長(zhǎng)光纖相位編碼方案，主要包含了以下幾個(gè)方面： 1.我們建立了一套基于Faraday-Michelson干涉儀的量子密鑰分配系統(tǒng)(F-M系統(tǒng))，包含了完整硬件控制電路和配套軟件。系統(tǒng)在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上將光

4、脈沖重復(fù)速率提高到了1 MHz(原有系統(tǒng)速率為10 kHz)，采用USB2.0接口與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了“即插即用”。 2.基于F-M量子密鑰分配系統(tǒng)，和國(guó)際上最近提出的誘騙態(tài)(decoy)量子密鑰分配協(xié)議，我們進(jìn)行一系列的decoy態(tài)量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，包括：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)123 km的光纖單誘騙態(tài)(兩態(tài))量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，以及北京網(wǎng)通商用光纖線路中的32 km兩態(tài)decoy量子密鑰實(shí)驗(yàn)。前者是截至目前國(guó)際上現(xiàn)有報(bào)道中，距離最遠(yuǎn)的

5、兩decoy態(tài)量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，后者是目前為止國(guó)際上僅有的實(shí)際商用光纖線路的decoy態(tài)量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)。 3.標(biāo)記單光子源(HSPS)是近幾年引起較多關(guān)注的光源，它基于晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程，由于利用了輻射的雙光子之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)性，可以在理論上產(chǎn)生優(yōu)于現(xiàn)有弱相干光源的光子分布，我們?cè)趪?guó)際上首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了：將HSPS與decoy態(tài)QKD技術(shù)相結(jié)合的方案，在同等條件下，可以得到目前最接近于理想單光子光源的密鑰生成性能。 4.

6、量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)之一。我們于2007年3-4月在北京網(wǎng)通的商用光纖骨干網(wǎng)絡(luò)中，利用自主研發(fā)的基于波長(zhǎng)路由原理的“量子路由器”，實(shí)現(xiàn)了四端口星型量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的試運(yùn)行。證明了我們提出的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)方案可以與現(xiàn)有光纖骨干網(wǎng)絡(luò)集成，并可覆蓋大型都市。這是中國(guó)首個(gè)在商用光纖中運(yùn)行的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)，并且也是目前國(guó)際上唯一的在商用光纖中運(yùn)行的，無(wú)中轉(zhuǎn)可全連通的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)。此外，我們也對(duì)星型網(wǎng)絡(luò)在擴(kuò)展時(shí)，網(wǎng)絡(luò)串?dāng)_對(duì)