网与通信 Network and Communication

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 BB84

Xie Ling1，2

( 1．Zijin College，Nanjing University of Science＆Technology，Nanjing 210046，China;

2． Department of Computer Science and Technology，Nanjing University，Nanjing 210000，China)

Abstract: The BB84 is 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 BB84 in 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; BB84

0 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。自从Peter Shor在1994年提出

［1］

了第一个具体的量子算法，ＲSA等基于大数质因子分解难题的公钥密码系统的安全性面临前所未有的挑战。量

子保密通信特别是量子密钥分发技术( QKD) 近年来得到

了快速发展。

［2］世界上第一个量子保密通信协议是BB84协议，由BENNETT C H 和 BＲASSAＲD G 在 1984 年提出。该协议使得经过认证的通信双方在两地能够连续建立密钥，进而通过OTP ( 一次一密乱码本) 加密协议实现安全通信。

BB84 协议与经典密码体系中的基于计算复杂性的基本原理

不同，它是以量子力学为基础，以“海森堡测不准原理”和“量子态不可精确克隆”这两个性质为原理，在历史上第一次提供了无条件安全性的方法，开辟了密钥分发和保密通信的新方向。BB84协议简单，可操作性强，其提出之后的20多年里，人们逐步完成了包括理想情况和各种现

［3-10］

实条件下的安全性证明，进行了实验室的演示以及现有光纤和自由空间条件下的一系列工作。

然而，BB84协议虽然可以保证点对点通信双方获得安全密钥，但对于一对多的多用户通信来说，BB84协议适用性欠缺。原因在于BB84协议在通信过程中随机产生密钥串，导致接收端收到的密钥各不相同，随之而来的加密和解密的次数等同于接收端的数量。近年来，多用户

［11－1 7］

QKD 协议( MUQKD)得到了发展。然而，这些 MU-QKD 协议采用的技术手段如 BELL 基测量、量子存储和量子幺正变换，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。

本文提出了一种多用户量子密钥分发协议，将计算机通信与量子通信理论相结合，在一对多的量子通信网络中，通信一次使接收端得到相互一致的密钥，从而使发送端只需对信息进行一次加密，即可将密文统一传送至各接收端。双方的密钥是在发送端产生的随机比特，采用

BB84 协议传输密钥，保证了密钥的安全性，且大大减少了发送端的加密次数。采用计算机仿真验证了该协议的可行性，使发展高速量子通信网络成为可能。

66《微型机与应用》2016年第35卷第11期