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科学普及

量子电话呼叫

稿件来源: 发布时间:2013-07-01

  量子通信按其所传输的信息(是经典还是量子)被分成两类。量子密钥分发是指,信息的发送者(Alice),将加密编码规则传送给信息的接受者(Bob),以便Bob能够以此密钥解密收到的加密文本。编码规则系由01组成的比特串,它属于经典信息。因此,量子密钥分发中的“量子”二字专指,在密钥传送的过程中,利用光子的偏振态编码,进而依靠偏振方向(H - 水平,V - 垂直)共轭对之间所服从的测不准关系,来防止窃密者Eve偷听。从安全角度看,唯有一次性使用的密码本是最安全的。因此,通常是由随机数发生器产生密码本草稿。按照美国政府的密钥标准,密钥的最大长度是256 bits。这就是说,如果密钥传输速率是500 bits/s,一秒钟就允许有2次更改密钥。 

  最近,来自中国科技大学量子信息实验室的陈增兵等,在一个模拟应用的环境中,成功地实施了一个量子密钥分发协议[Chen et al., Opt. Express 17(2009) : 6540]。他们的通信网络由三个站点组成,站点之间相距20km , 彼此以商业光纤连接。该系统具有三方对讲电话功能。由于密钥传输速率高,可以保证每次拨通即使用一套新的密码(随机密钥一经产生,立即被使用),真正作到了语音的实时加密。这意味着,用量子技术保护个人隐私,将不会是很遥远的事。   

  量子电话呼叫,尽管功能神奇,从原理上看还是不难理解的。过程的关键在于AliceBob各自需使用两套起偏器和检偏器。第一套是正向放置的,以“+”表示;第二套的偏振方向相对于第一套转45°角,以“×”表示。第一套相应的偏振方向是 0° (H—水平—代表数字0) 90°(V—垂直—代表数字1);第二套相应的方向是45°(代表数字0)和135°(代表数字1)。  

  Alice在产生密码本草稿的过程中,随机地选用“+”或“×”作为产生偏振光子的基。如果Bob在检测时,所使用的基序列与Alice完全相同,则检测结果全部有效。否则,当Bob所使用的某个基(不妨设,草稿比特串第3位所相应的基)与Alice不同时,这一位(第3位)的检测结果将无效。具体说,Alice在第3位使用“×”为基发射了一个45°偏振光子,意在给出数字0;如果Bob使用“+”为基来检测这个光子的偏振,根据测不准关系,他将得到一个完全随机的结果——或者是0,或者是1。这样的结果必需在事后从密码本草稿中剔除。   

  为了确定AliceBob两人共同拥有的最终有效密码本,两人必需在草稿传输之后通过公开信道进行沟通:核对与比特串每一位相对应的基(是“+”,还是“×”)。只有在两者的基一致时,比特串的这一位才被保留。注意,通过公开信道核对的,只是所使用的基,而不是具体的0/1信息。为了判定比特串在传送过程中是否被Eve窃听,Bob可以将初步选定的比特串(设长度为1000比特)中的一部分(例如20比特)与Alice具体核对(0/1信息)。如果有误,则说明过程已被Eve窃听(Eve在不知基矢量取向的情况下,任何窃听检测都会改变比特串的0/1信息,以至于事后被发现),于是AliceBob之间需启动新一轮的密钥分发。 

 

  ( 戴闻 编译自 Science 2009-5-1: Editors' Choice 吴令安,物理27 (1998) : 544  ) 

    

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