课程设计（论文） 课程名称： 科研训练 题 目：量子密钥分配协议SARG04的性能研究 院 （系）： 机械电子工程系 专业班级： 通信1102班 姓 名： 党 浩 学 号： 201106020211 指导教师： 董颖娣
2013 年 7 月 9 日 西安建筑科技大学科研训练（论文）任务书 专业班级： 通信1102班级 学生姓名： 党浩 指导教师（签名）： 一、科研训练（论文）题目
量子密钥分配协议SARG04的性能研究 二、本次科研训练（论文）应达到的目的 通过参与科学研究，使学生得到科研工作的基本训练，开创新的教学模式；促进科研与学习相结合，培养学生的科研意识、团队精神、科研能力和综合素质，使学生逐步形成严谨的科学研究作风和学术道德品质
三、本次科研训练（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）
1、掌握量子密码通信的基本原理 2、理解常用的量子密钥分配协议SARG04性能及基本流程 3、理解量子密钥分配协议SARG04在实验中实现过程 4、给出量子密钥分配协议SARG04的性能研究报告
四、应收集的资料及主要参考文献： 1、《量子信息讲座》 郭光灿 2、《量子通讯和量子计算》 国防科技大学出版社，李承祖 3、《量子密码的实验研究》 中国科学技术大学博士论文，莫小范 4、《诱骗态量子密钥分配的理论研究》国防科技大学硕士论文，孙仕海
五、审核批准意见 教研室主任（签字） 目录 摘 要................................................4 科研训练目的.........................................4 量子密码通信概念.....................................5 量子密码通信的基本原理...............................6 （一）态的叠加原理...................................7 （二）不可克隆原理...................................8 量子密钥分配协议SARG04在实验中实现过程...............9 量子密钥分配协议SARG04的性能研究报告................11 结论与展望...........................................13 参考文献.............................................15 摘 要 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，量子密码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。
科研训练目的: 通过参与科学研究，使学生得到科研工作的基本训练，开创新的教学模式；促进科研与学习相结合，培养学生的科研意识、团队精神、科研能力和综合素质，使学生逐步形成严谨的科学研究作风和学术道德品质。
量子密码通信概念： 量子密码，又称量子密钥分发，是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的，安全的密钥，来加密和解密信息。 量子密码的一个最重要的，也是最独特的性质是，如果有第三方试图窃听密码，则通信的双方便会察觉。这种性质基于量子力学的基本原理：任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰。第三方试图窃听密码，必须用某种方式测量它，而这些测量就会带来可察觉的异常。通过量子叠加态或量子纠缠态来传输信息，通信系统便可以检测是否存在窃听。当窃听低于一定标准，一个有安全保障的密钥就可以产生了。 量子密码的安全性基于量子力学的基本原理，而传统密码学是基于某些数学算法的计算复杂度，因此传统密码学无法察觉窃听，也就无法保证密钥的安全性。 但是量子密码只用于产生和分发密钥，并没有传输任何实质的信息。密钥可通过某些加密算法来加密信息，加密过的信息可以在标准信道中传输。 量子密码通信的基本原理: 量子密码术用我们当前的物理学知识来开发不能被破获的密码系统，即如果不了解发送者和接受者的信息，该系统就完全安全。单词量子本身的意思是指物质和能量的最小微粒的最基本的行为：量子理论可以解释存在的任何事物，没有东西跟它相违背。从数学上讲只要掌握了恰当的方法任何密码都可破译。此外，由于密码在被窃听、破解时不会留下任何痕迹，用户无法察觉，就会继续使用同地址、密码来存储传输重要信息，从而造成更大损失。然而量子理论将会完全改变这一切。自上世纪90年代以来科学家开始了量子密码的研究。因为采用量子密码技术加密的数据不可破译，一旦有人非法获取这些信息,使用者就会立即知道并采取措施。无论多么聪明的窃听者在破译密码时都会留下痕迹。更惊叹的是量子密码甚至能在被窃听的同时自动改变。毫无疑问这是一种真正安全、不可窃听破译的密码。 以往密码学的理论基础是数学，而量子密码学的理论基础是量子力学，利用物理学原理来保护信息。其原理是“海森堡测不准原理”中所包含的一个特性，即当有人对量子系统进行偷窥时，同时也会破坏这个系统。因此对输运光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系,通讯会被中断,这实际上就是一种不同于传统需要加密解密的加密技术。 在传统加密交换中两个通讯对象必须事先拥有共同信息——密钥，包含需要加密、解密的算法数据信息。而先于信息传输的密钥交换正是传统加密协议的弱点。另外,还有“单量子不可复制定理”。它是上述原理的推论,指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的,因为要复制单个量子就必须先做测量,而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理,即使量子密码不幸被电脑黑客获取,也会因测量过程中对量子状态的改变使得黑客只能得到一些毫无意义的数据。 量子密码就是利用量子状态作为信息加密、解密的密钥，其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”的量子纠缠。它是一种量子力学现象，指不论两个粒子间距离有多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子。因此当使用一个特殊晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子后，即使相距遥远它们也是相互联结的。只要测量出其中一个被纠缠光子的属性，就容易推断出其他光子的属性。下面简单介绍量子通信的两个原理：
（一）态的叠加原理： 态叠加原理是量子力学中的一个基本原理。如果是体系的一个本征态，对应的本征值为也是体系的一个本征态，对应的本征值为, ,根据薛定谔方程的线性关系，也是体系一个可能的存在状态。简单地说，一个量子物体在环境中如果可以朝上，也可以朝下，那么它还有一种状态是朝上和朝下的叠加状态。如果这个量子物体处在这种状态中，那它既不是单纯的朝上，也不是单纯的朝下。这种现象在经典物理中是不存在的，一个物体要么朝上要么朝下，要么躺着，但没有朝上和朝下的叠加状态。 测量时的波函数坍缩原理：如果一个量子物体处于叠加态，比如上面说的朝上和朝下的叠加态，我们去测量的时候，会发现它可能在这次测量中结果是朝上的，在另一次完全相同的测量中又测得它是朝下的。我们除了知道测量结果朝上或朝下的概率外，无法确定下次测量具体会是什么结果。当然，如果这个量子物体本来就处在一个朝上（或者朝下）的状态，你去测它，它还是朝上（对应地，朝下），无论你测多少次。 （二）不可克隆原理： 即不可能构造一个能够完全复制任意量子比特（量子状态），而不对原始量子比特产生干扰的系统。不可克隆原理是量子信息学的基础。量子信息在信道中传输，不可能被第三方复制而窃取信息而不对量子信息产生干扰。因此这个原理也是量子密码学的基石。为了证明不可克隆原理，我们首先假定，存在一个系统能够完全拷贝任意的量子比特。 量子密钥分配协议SARG04性能及基本流程： 密钥是保密通信的核心，用来与待传输的明文进行某种变换，以产生密文。在使用中若只传输密文，则无密钥者即使得到密文也无法理解，而合法的接收者可以用密钥得 到明文。如何在不被窃听者破获的前提下，将密钥分配给所有接收方是问题的关键。量子密钥分配协议解决的正是此问题。早期的量子密钥分配协议是指发送和接收方利用量子态进行密钥分配时，所共同遵循的信息加载、探测和比对方式。近年来，量子密钥分配协议有所扩展，增加了量子密钥分配所需的后处理过程，比如纠错，保密放大，入侵检测机制等。一个完整的量子密
钥分配流程如图所示 针对 PNS 攻击, 2004 年 Scarani, Acin, Ribordy和Gisin 提出了SARG04 协议, 该协议采用与BB84协议相同的两组共轭基中的四个基矢进行量子密钥分发, 他们的区别仅在于经典的编码方式上,SARG04 协议采用四态非正交的编码方式, 在该情相同的性质,所以可以让其中的一束作为信号光来实现QKD, 而另一束闲置光则被用来预报信号光中的光子数目,只有当信号光为非空脉冲时才开启接收方的探测器, 这样就会大大减小长距离量子密钥分发过程中的暗计数, 从而进一步提高系统的安全传输距离. SARG04协议与诱惑态协议相结合的理论即SARG04 协议诱惑态QKD 方案、 基于参量下转换光子对的一些诱惑态QK方案