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量子通信的应用技术研究毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

随着通信技术的飞速发展,信息的传输速率越来越快、效率越来越高,人们越来越在意在通信过程中的安全性与保密性。如何安全、保密、且高效的传递信息成为了通信领域的一个新的研究方向。量子通信技术作为一种新兴的通信技术,凭借其理论上无条件安全保密的特性,引起了通信科学界的广泛关注和研究。

本课题着眼于量子通信技术的研究现状,研究了量子通信技术的理论基础,分析了量子密钥分发系统的原理与结构,并对其核心问题BB84协议做了深刻的理论分析。针对QKD系统的应用技术搜集了大量的资料,研究了量子通信在电力系统、商业银行、海上油田等多个领域的技术应用。旨在对量子通信的应用技术进行研究。本论文的主要工作如下:

1.研究了量子通信的理论基础,包括量子的观测理论以及密码学的一次一密等;

2.对量子密钥分发(QKD)系统进行了结构分析,完成了QKD系统的设计,并模拟了其在无噪声和有噪声情况下的运行。

3.对BB84协议进行了研究,讨论了在有无噪声及窃听情况下的量子通信流程。

4.主要研究了量子通信系统在电力通信方面的技术和应用。并讨论了多种在电力通信的应用实例。

经过课题的研究和讨论,分析了当下量子通信技术的应用方向,探寻了量子通信技术在未来的应用前景。量子通信作为一种新兴的保密通信技术,必将引领下一代的通信革命。

关键词:量子通信;量子密钥分发;QKD;BB84协议;电力通信

Abstract

With the development of communication technology, the transmission rate of information is getting faster and faster, and the efficiency is getting higher and higher. People are more and more concerned about the security and confidentiality in the communication process. How to transmit information securely, confidentially and efficiently has become a new research direction in the field of communication. As an emerging communication technology, quantum communication technology has attracted extensive attention and research in the communication science community by virtue of its theoretical unconditional security and confidentiality.

This topic focuses on the research status of quantum communication technology, studies the theoretical basis of quantum communication technology, analyzes the principle and structure of quantum key distribution system, and makes a profound theoretical analysis of its core problem BB84 protocol. A large amount of data was collected for the application technology of QKD system, and the application of quantum communication in power systems, commercial banks, offshore oil fields and other fields was studied. It aims to study the application technology of quantum communication. The main work of this paper is as follows:

1. Researched the basic theoretical of quantum communication, including quantum observation theory and cryptography.
2. The structure of quantum key distribution (QKD) system is analyzed, the design of QKD system is completed, and its operation is simulated under noiseless and noiseless conditions.
3. The BB84 protocol was studied to discuss the quantum communication flow in the presence or absence of noise and eavesdropping.
4. The main research on the technology and application of quantum communication system in power communication. And a variety of application examples in power communication are discussed.
After the research and discussion of the subject, the application direction of the current quantum communication technology is analyzed, and the application prospect of quantum communication technology in the future is explored. As an emerging secret communication technology, quantum communication will surely lead the next generation of communication revolution.

Key words:Quantum communication;Quantum Key Distribution;QKD;BB84 Protocol;Power communication

目 录

第1章 绪论 1

1.1总论 1

1.2经典加密技术 1

1.3量子加密技术 2

1.4国内外发展现状 3

第2章 量子通信技术的理论基础 5

2.1量子通信的量子力学基础 5

2.1.1量子非克隆性 5

2.1.2海森堡测不准原理 5

2.2量子通信的密码学基础 6

2.3一次一密乱码本 6

2.1本章小结 7

第3章 量子密钥分发系统 8

3.1量子密钥分发系统简介 8

3.2 BB84密钥分配协议 8

3.2.1无噪声情况下的BB84协议 9

3.2.2有噪声情况下的BB84协议 11

3.3本章小结 12

第4章 量子通信在电力通信的应用 13

4.1 量子通信在电力通信的技术以及前景 13

4.1.1量子密钥分发技术的应用 13

4.1.2量子通信纠错编码技术的应用 13

4.2 量子通信在电力系统中的典型应用 14

4.3 量子通信的电力通信应用总结 16

第5章 总结 17

参考文献 18

致 谢 20

第1章 绪论

1.1总论

量子通信是一门研究量子力学的基本原理和特性在通信领域应用的一门交叉学科。具有高效,快速和绝对安全的特性,被通信科学界广泛关注。量子通信目前主要分为两类:一类是基于量子观测特性的量子密匙分发(QKD);一类是基于量子纠缠的量子隐态传输[1]。由于后者的发展还不完善,目前的量子通信一般指前者[2][3][4]

传统的通信使用的加密算法,一般依赖于数学模型和计算假设,非常容易被窃听者攻击和窃听,其安全性是有待商榷的。而量子通信具有绝对安全的特点,并且已经在数学上经过了严格的安全性证明。因此,研究量子通信成为了通信加密的一个重要趋势。

量子通信技术提出于二十世纪八九十年代。1984年,Brassard和Bennett提出了BB84协议,标志着量子通信技术和量子密钥分发方案的正式提出[5][6][7]

量子通信包括量子密钥分发和量子隐态传输。量子密钥分发系统即QKD系统,包含两条信道:一条经典信道,一条量子信道。前者用经典通信的方法传递密文;而后者则采取“一次一密”的方法产生和传递密钥。“一次一密”的加密方法即每次通信的密钥都不一样,每进行一次通信,进行一次信息的传递,通信双方都要生成和传递新的密钥。并且,由于量子态的观测特性,在量子密钥分发系统中可以有效的侦测窃听者的存在。从而保证了通信的绝对安全性。量子隐态传输方案利用了量子纠缠理论和量子联合测量,能够无视时空限制将量子态从一个量子传递到另一个量子,从而实现信息的传递。量子隐态传输方案的发展还尚未成熟,目前少有应用。提到量子通信,我们一般指量子密钥分发技术[8][9]

1.2经典加密技术

一般而言,经典加密技术分为两类:一类是换位加密法;另一类是替换加密法。换位加密法即按照约定的规则对密文进行顺序上的换位,打乱原来密文的顺序以进行加密[10]。例如,明文为

“HELLOWORLD”

经过换位加密之后得到的密文就是

“HLELDRWOLO”

替换加密法则是按照约定好的密码表,用其他符号或字母替换掉明文中的字母。替换完成后就得到了加密的密文。

现代的加密算法也分为两种:对称加密算法和非对称加密算法。对称加密算法是指密文的加密和解密都使用了相同的密钥,故其加密原理比较简单,算法也相对简单,计算量较小,信息的加密速度快。对称加密算法得到了广泛的应用,如DES算法,在银行卡、IC卡、POS机上都有广泛的应用。但是对称加密算法也有它的缺点,首先由于加密和解密双方使用的是相同的密钥,这就导致了一但有一方发生了变动,则双方都要对密码进行变动。这就导致了算法在安全性上存在缺点。

非对称加密算法和前者不同的是,它采用了两种不同的密钥,一个称为公钥,一个称为私钥。正如其名字,公钥是公开的密钥,私钥是只有自己知道的密钥。在加密过程中,Alice要向Bob发送密文,首先使用公钥进行加密。通过信道传送给Bob,Bob接收到之后再用自己的私钥进行解密。由于私钥只有Bob拥有,故其他窃听到密文的人无法对密文进行解密。非对称加密算法广泛应用于对安全性要求较高的场合,比如验证账号密码、进行网络支付、收发电子邮件等等。常见的非对称加密算法有RSA等。非对称加密算法也有其缺点,那就是计算量庞大,加密算法复杂,尤其是密钥位数多的时候,加密速度则会更慢。因此,在实际的信息传递中,两种加密算法一般会配合使用,使得我们的信息传递更加安全和快速。

对称加密算法和非对称加密算法都属于公钥加密体系,其保密性建立在其复杂的加密解密算法上。例如应用很广的RSA,其保密性就是建立在分解有大素数因子的合数的基础上。但是公钥加密体系的缺点非常明显,首先就是它无法被证明是绝对安全的。虽然我们可以加长密钥的长度来提升它的安全性,但是窃听者总是能利用更先进快速的算法来对密文进行解密。比如常见的穷尽搜索的解密方法以及密码分析的揭秘方法。

其实,公钥加密体系之外,还存在着一种未能广泛应用的加密体系,即私钥加密体系。私钥加密体系基于公开算法和相对公钥加密较短的私钥。例如苏联在二战时期传递密文所采取的“一次一密”密码本,就是通过每一次都采用不同的私钥,来达成绝对安全的加密目的。但是由于密码本本身的安全性不能得到保证,于是这种通信加密方法并没有得到广泛的应用。

可是,随着时代的发展,量子科学逐渐走进了人们的视野。这种有异于经典物理的量子物理为信息科学打开了新的道路,也让私钥加密体系得到了再焕生机的机会。

1.3量子加密技术

由于经典加密技术的局限,无论加密技术多么先进,总会存在着原理上的漏洞,为窃听者破译密文提供了机会。那么,有没有一种加密技术能够在理论上实现绝对的安全,让窃听者无法破译呢?密码学家指出,只有“一次一密”的加密方法才能保证绝对的安全性。而量子通信技术的发展,才为达成“一次一密”的可能提供了条件。正是由于“一次一密”得以实现,量子通信才拥有绝对安全的通信保障。

量子通信的两种通信方案,一种是直接通信,即量子隐态传输,利用量子纠缠的原理直接传递量子态信息,这种技术发展暂不成熟;另一种是间接通信,即量子密钥分发技术,利用量子信道传递密钥,同时利用经典信道传递密文。每进行一次信息的传递,通信双方都要生成和传递新的密钥,即每次通信的密钥都不一样,保证了通信的安全性。

量子密钥分发的安全性基于量子力学的基本原理和经典密码学的数据安全理论。它将密钥的信息编码在量子的量子态中,由于量子的不可分性,破译者不能对信道中的量子进行分流处理;由于量子的非克隆性,窃听者也不能对量子态进行拷贝。更具体的说,量子密钥分发采用了单光子分离技术,理论上使用单光子进行量子态信息的传输。根据海森堡测不准原理,对单光子的观测会导致其状态发生不可逆的变化(波包的坍缩),观测者不仅无法得到全部的密钥信息,还会对通信的双方造成干扰,使得发送者和接收者能够通过验证察觉到窃听者的存在,从而保证了通信的安全性。

量子通信的提出是在1984年的IEEE的一次国际会议上,Bennett和Brassard提出了第一个量子密钥分发协议,被称为BB84协议。1991年,Ekert基于Bell不等式提出了使用ERP纠缠粒子对的量子密钥分发方案。1993年,Bennett等人提出了经典通信与量子通信相结合,来实现量子隐态传输的方案。之后,各种基于量子理论的QKD方案被提出。他们的本质都是一样的,即量子通信并不用来直接传递密文,而是用来产生和传递密钥。

1.4国内外发展现状

在国际上,量子通信技术经过了多年的研究取得了丰富的成果。其广阔的应用前景不仅吸引了科学界的关注,还引起了政府和企业的重视。

自1992年第一个量子密钥分发实验成功以来,国际上展开了一场对量子通信进行研究的浪潮。目前国际上对量子通信研究最多的还是量子密钥分发技术。主要的研究也主要集中于几个方面:首先是量子密钥分发的协议,典型的有BB84协议、B92协议、ERP协议等;然后是对量子通信的安全性的分析,研究结果证明了量子通信的绝对安全性;还有就是量子通信的远距离通信的研究;以及多方进行的量子通信[11]

我国的量子通信研究起步较晚,大多是建立在一些已经公开的广受国际重视的通信协议上进行的研究。国内研究最早的机构是国防科技大学。1997年,在著名物理学家钱学森的建议下,国防科技大学展开了对量子通信的研究。

虽然我国的量子通信研究起步较晚,但是研究进展却十分迅速。2007年,中国科技大学在北京建立了首个应用了量子通信的通讯设备。随后,在北京、上海、济南等多地建立了广大的量子通信研究网络。2014年,我国完成了从上海到北京的量子通信线路建立,是我国成为了继美国之后第二个能够实现2000千米以上量子通信的国家。随后,我国的太空量子通信技术也得到了突破性的进展,墨子号的发射标志着我国的量子科学进入了一个新的阶段。这是全球首颗量子通信卫星。

第2章 量子通信技术的理论基础

2.1量子通信的量子力学基础

量子通信使用量子作为载体,利用量子的量子态传递信息。因此,量子力学成为了量子通信基础的物理学基础。量子力学的物理基础包括:量子的叠加性、量子的相干性,量子纠缠特性以及量子的非克隆性。其中,量子的不确定性原理(海森堡测不准原理)以及量子的非克隆性是量子通信能够实现的重要支撑[12]

2.1.1量子非克隆性

量子的不可克隆定理(No-Cloning Theorem)指出,量子力学中对任意一个量子的未知量子态进行完全相同的复制是不可能的。该定理由量子的量子态叠加性原理可以证明。这里的证明过程不再赘述,

量子非克隆性,是指一个任意的量子态是不可完全精确复制的。首先它的前提条件是量子的量子态是未知的。也就是说,对于某个精确确定的量子态,我们是可以进行复制的。这就等同于,我们无法通过测量来确定某个位置量子的量子态,因为我们的测量就会对量子的量子态造成影响。但是有一些特殊的测量是可以保证观测的同时保证量子的某些量子态不被改变的。这些量子态就是本征态,对应的测量值就是本征值。量子的不可克隆定理指的是我们无法对量子的量子态进行精确的复制,但是我们是可以对量子的本征态进行复制的。

量子态的不可克隆性是量子力学的基础性质,是物理力学不可大破的界限,是量子通信得以实现的重要基石。正是由于量子的量子态不可精确复制,才保证了在量子通信过程中,密钥的绝对安全。

2.1.2海森堡测不准原理

海森堡测不准原理指出,在我们对任何一个物理量进行观测的时候,都无法避免其观测行为对其他物理量的干扰。根据海森堡测不准原理,通信的双方可以检测通信是否被窃听者窃听,从而保证了双方在无需提前交换密钥的条件下通信的绝对安全性。根据海森堡原理,我们无法测得量子的动量和位置等变量的准确值,这一量子力学的基础定律成为了我们对窃听者的窃听行为进行监控的有力工具。量子通信使用量子的非正交量子态对信息进行编码。使用四个极化的状态(0°,45°,90°,135°)来描述单光子从而传递信息。人们无法确定其极化状态,因为0°,90°和45°,135°是不相容的,测不准原理禁止我们同时对两者进行观测。

量子通信和经典通信不同,它的加密是基于基础的物理学定律的,是完全可证的无条件安全,不同于一次一密的密钥有泄密的风险。任何窃听者只要对量子通信过程中传递信息的量子态进行窃听,通信双方就可以检测到。

2.2量子通信的密码学基础

量子通信是信息科学与量子科学的交叉学科,因此,研究量子通信离不开密码学基础。

在密码学中,一个密码系统包括明文、密文、密钥、加密算法以及解密算法五个部分。明文指需要进行加密的原信息。对明文进行加密处理之后所得到的序列成为密文,处理的规则成为加密算法。同理,对密文进行解密操作可以还原出明文,解密的规则成为解密算法。控制加密和解密过程的被称为密钥,密钥一般为一段适当长度的字符串或数字串,可用于控制加密和解密过程。密钥根据控制的过程不同,分为加密密钥和解密密钥。

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