中國城域量子保密通訊係統

    城域量子保密通訊係統

    近年來，我國量子通訊領域的研究工作不時有令人欣喜的消息傳來。2009年上海國際工業博覽會上，中國科學院與中國科技技術大學攜手展出了量子保密交換機與量子路由器的實機。

    上海工博會說老實話，不是看熱鬧的，是談生意的。本來，本蛇是打算利用單位組織之便去看看SF-A客機發動機的。不料3~5號有任務，等禮拜五去了那東東已經撤展了。

    就在本獸想隨便逛逛看看MM閃人的時候，失之東隅收之桑榆，不當心讓我看到了這個東東。廢話不說，上圖。

 

 

    標題就是如此

 

    

 

    WT-1量子路由器與WT-2量子交換機

    城域量子保密通信係統

 

    WT-1量子路由器

 

    

 

    有點糊了。。。

WT-2量子交換機

　　以前新聞中曾報道過的量子通訊實驗網，中科院與中國科技大合作研製的。

中科院與中國科技大合作研製的

我國2002年以來量子通訊領域相關研究工作簡介

　　技術路線與主要成果

ZT熊貓幫幫主

　　本盤大來科普一哈哈。

　　1。 什麽是QKD

　　所謂量子密鑰分配（quantum key distribution，QKD），一句話來概括，就是利用量子力學的不確定性，在兩個用戶之間實現密鑰分配。請注意，QKD傳輸的是密鑰，不是信息。也就兩個用戶，通過一個經過驗證的但可能不安全的信道，建立一組共享的完全相同的隨機數串。這串隨機數就可以在保密通訊中作為密鑰來使用。如何利用QKD建立的密鑰進行密碼通訊，就是所謂的量子密碼術（quantum cryptography，QC）。

　　順帶扯一句，量子通訊是一個更廣泛的研究方向，QKD和QC隻是其中的一部分。量子通訊、量子計算都是量子信息研究的一部分，而量子計算是量子信息研究的終極目標。

　　2。 QKD的起源

　　QC 的概念早上個世紀70年代就提出了。當時，Wisner提出所謂的量子鈔票：利用光子的偏振特性對鈔票進行編碼，由於量子力學測不準原理，可以檢驗鈔票的真偽（具體過程乎略）。Wisner把這個概念寫成論文，投給學術雜誌。不幸的是，這篇輾轉多處，沒人看的懂，就此耽擱下來了（直到八十年代這篇論文才找到了出版的機會）。幸運的是，Wisner把這個概念告訴了他的同事or同學Bennett。後來，Bennett（IBM研究員）和 Brassard（加拿大蒙特利爾大學教授）合作以Wisner的概念為基礎提出了所謂的BB84協議（1984年提出，BB是兩個人姓名的縮寫），並於 1984年在印度舉辦的某個IEEE會議上發布。BB84是QKD的第一個協議，也是本盤大認為，到目前為止僅有的兩個具有實用價值的QKD協議中的一個（另一個是糾纏協議，從理論上講糾纏協議和BB84協議等價。補充，雖然誘騙態協議很好很強大，但是誘騙態協議必須跟BB84之類的協議配合使用。沒有誘騙態，BB84會遇到一個現階段難以處理、但並非完全無法解決的技術問題；沒有BB84，誘騙態協議啥都做不了。因此本盤大認為誘騙態協議屬於QKD的數據處理協議，不包含在這裏。）。

　　八十年代末期，Bennett打算在實驗上驗證這個概念，就決定找人做實驗（他本人是純理論研究，但他提出的幾個概念都成為了量子信息領域最牛鼻、最熱門的研究方向）。Bennett的繼子找到了他的一個同學，說Bennett需要找人暑假做實驗, 這位同學就來到了IBM，從IBM的倉庫裏刨出些激光管、泡克爾斯盒和光電倍增管。試驗裝置很簡單，激光通過衰減產生光子，泡克爾斯調製光子的偏振態，光電倍增管對光子進行探測，光子的傳輸距離隻有幾十厘米。這就是第一個QKD演示實驗。

　3。 QKD受到重視的原因

　　在BB84協議問世之後的若幹年中，這個概念雖然很新穎、很有趣，但是在密碼界並沒有受到太多的關注（密碼產業實際上是有惰性的。計算機可以怎麽時髦怎麽好用怎麽搞，出了問題大不了重啟。但是密碼事關重大搞不好是會掉腦袋的，所以未經嚴格驗證的技術，就算再“誘人”也不會輕易使用的）。但從九十年代中後期開始，QKD研究受到了廣泛的關注，本盤大認為原因很簡單：量子計算。量子計算是上世紀九十年代一群變態物理學家提出了一個同樣變態的概念，它展現出的強大、變態的計算能力（跟地球上現有計算機技術相比而言），直接威脅到了現有的經典密碼係統的安全（這裏所說的經典是相對量子而言的，RSA、DES也算作經典密碼）。簡單的、不準確地說，一旦量子計算機誕生，幾乎所有的經典密碼係統統統完蛋，帝國通訊部會立刻無密而言。

　　唯一不受量子計算威脅的密碼係統是一次一密。所謂一次一密，原理非常簡單，一個比特的信息跟一個比特的密鑰進行異或操作。它有三個基本要求，明文有多長，密鑰有多長；密鑰必須保密；密鑰僅用一次。最後這個要求，在實際係統裏很難滿足。因為它要求用戶攜帶大量的密碼，而這會導致很多問題。比如，如何分發密碼。提前印好帶在身上？你讓餘澤成怎麽藏，他家雞窩都藏金條了。什麽，你說讓翠平在解放區和天津之間來回跑著傳送？李涯把翠平殺了搶走密碼本怎麽辦，叛變了怎麽辦？印度洋上的漂泊不定的帝國航媽艦隊怎麽辦呢。因此，雖然一次一密很早就被提出，並且在一戰前後（我記不準了）就已經被從信息論的角度證明隻要密鑰滿足上述三個要求，一次一密在理論上就是不可破譯的。但由於它的這個缺陷，一直不是公開的、民用的密碼領域中的主流成員。

　　現在敵人有了量子計算了，帝國通訊部沒辦法了，回過頭找，有什麽是量子計算時代還可以用的加密方法呢？答案是已知的，一次一密。但是怎麽傳遞密鑰呢，哈，現在有了量子密碼！有救了有救了，帝國通訊部歡呼雀躍。

　　4。 QKD是怎樣實現的

　　乎略，請乎略。這種東西，講的簡單了就變成民科大對決。講的複雜了，大家聽不懂。總之一句話，相信本盤大，QKD是可以可行並且已經在實驗室通過光學手段（激光或糾纏光子，對通過光纖或自由空間傳輸）實現了的。

　　5。 QKD現存的問題和挑戰

　　a1。 速率問題。要用一次一密，那麽密鑰產生的速率應當跟明文傳輸速率一致，比如1Gbps。現在，整個QKD係統最大的速率瓶頸來自探測器。雖然已經有若幹論文提出了通訊波段GHz單光子探測器，但是實際操作難度很大（點子極其簡單，一個是日本人提出的正選波驅動，一個是Toshiba歐洲研究分部提出的自差分）。商用單光子探測器一般是10MHz量級。超導探測器一度是熱點，但是難度也很大，而且有壽命問題。

　　a2。 後處理問題。一句話兩句話說不清，涉及大量繁瑣複雜的數學分析、安全性證明，乎略。QKD係統要實用，這裏還有無數的工作要做。

　　a3。 距離問題。從安全性分析的角度出發，由於所用器件不可能是完美的（比如，單光子探測器有暗計數），這導致任何QKD係統都有一個極限傳輸距離（我更喜歡說一個極限的信道損耗，不同廠家的光纖可能單位長度損耗不一樣，極限傳輸距離是不同的）。如何擴展通訊距離，也就是量子信號的中繼是現在的研究熱點。由於量子信號的特點，現有光通訊係統中的中繼手段不能被利用。可能的方法有：

　　一是點對點擴展。A和B建立密鑰，B和C建立密鑰。然後B用BC共享的密鑰加密AB共享密鑰傳輸給C。方法簡單，但是中間多了一個知道密鑰的用戶B，帝國通訊部可能會不高興，乃不看電視上經常說“你知我知天知地知”嗎。況且，在太平洋中間、在敵國領土上怎麽部署中間節點呢。

　　二是量子中繼。這個目前還很難，原理性實驗都還做得不是很利索。

　　三是衛星通訊，跟方法一類似，用衛星取代B節點。這個方案，很有技術和政治顯示度（人民群眾看得見抹得著啊，往天上放個衛星誰都知道是高科技），很有挑戰性，很有刺激感，本盤大喜歡。但是，衛星存在一個嚴重的效率問題。衛星可以簡單的分為兩種，同步軌道和近地軌道。同步軌道可以跟地麵站連續通訊，但是距離太tm遙遠了，對光信號的損耗實在是太tm大了。雖然太空中物質很稀薄，對光信號沒有什麽吸收啊，但是光信號發射的時候不可能是一條直線，實際上是像一個錐形一樣發射出去的（簡單的不準確的描述），投影到遠方就成了一個圓斑。地球同步軌道是三萬六千千米啊，如果發射的時候錐角的弧度是1微，假設大氣不對光信號有任何影響，抵達衛星時，光斑的半徑大約是36米！如果衛星上光學接收器（說白了就是望遠鏡）的口徑小於這個值就導致部分信號無法被收集到。如果采用兩米半徑的望遠鏡，隻有(2/36)的平方，即大約千分之三的信號被采集到（這隻是一個簡單的、不準確的估算，實際的接收率應該比這個值大，因為激光的強度符合高斯分布，即中間強兩邊弱）。想像一下，司令部向前線派出一千名通訊兵，最後隻有三個人活著到前線指揮部，上甘嶺都沒這麽慘烈啊。考慮到光信號在大氣層以內的損耗，最後就不省下什麽信號了。造半徑三十六米的望遠鏡？有這能耐，不如先去造超級鎖眼，拿這個去帝國參謀部騙錢估計太容易了。用近地軌道衛星會怎樣呢？近地衛星接收到的光斑比較小，但是近地衛星掠過接收站的時間很短（回想一下神舟飛行的時候，是不是新聞上剛說青島站捕捉到了，沒幾分鍾就說飛船出了青島站測控區了），這同樣導致傳輸效率很低。除非部署一個由大量近地軌道小衛星組成衛星網絡，這個不是學術問題，而是經濟和政治問題了。

----------------------------------------
轉貼，僅供參考，不負責核實其內容真實性。

[ 打印 ]

[ 加入書簽 ]

閱讀 () ┆ 評論 (1)

評論

目前還沒有任何評論

登錄後才可評論.