量子通信從上世紀80年代誕生第一個理論協(xié)議以來,已經(jīng)形成了較為完善的理論基礎、技術體系和發(fā)展生態(tài),未來仍將進一步形成突破性進展,產(chǎn)生人們日常生活中看得見、摸得著的保密通信應用。
本書以發(fā)展的眼光看待通信技術,介紹一些傳統(tǒng)保密通信的困境,以及量子通信的重要意義和發(fā)展戰(zhàn)略,將量子通信的主要協(xié)議和方案擇重點進行講解,并介紹量子通信系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的關鍵技術、部分攻擊和防御方案,以及量子通信網(wǎng)絡的建設情況,以典型量子通信系統(tǒng)為例,概述了相關系統(tǒng)的構建。
本書可作為高等院校量子信息領域相關專業(yè)低年級學生
信息技術的不斷發(fā)展,給人們的生活帶來極大便利,同時也給傳統(tǒng)信息安全帶來了日益復雜和突出的問題。前沿信息技術應用的不斷深化,將改變現(xiàn)有信息管理和系統(tǒng)應用的模式,并可能使攻擊者采取更加多元的攻擊手段,從而導致人們對信息網(wǎng)絡結構安全、數(shù)據(jù)安全和信息內容安全的擔憂日益增加。更為重要的是,信息安全不僅關系信息自身的安全,更對國家的政治、軍事、經(jīng)濟和文化等安全具有重大戰(zhàn)略價值。
保密通信作為信息安全的“骨灰級元老”,一直伴隨著人類的發(fā)展,自古至今都極具價值,常常伴隨戰(zhàn)爭的發(fā)展,也在很多時候決定著戰(zhàn)爭的走勢。保密通信要達到的目的無非有兩個: 其一是盡可能不被竊取;其二是即使被竊也不會被破解。而傳統(tǒng)的保密通信手段存在密鑰產(chǎn)生和密鑰分發(fā)兩個安全性問題。尤其是在面臨新的加密破解方法和量子計算等不對等計算優(yōu)勢時,傳統(tǒng)保密通信或將形同虛設。
克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)在信息論中認為: 如果產(chǎn)生的密鑰沒有規(guī)律可言,并且只用一次,那么相同長度的密鑰可以絕對安全地加密信息。怎么才能實現(xiàn)一次一密呢?量子通信給出了答案。量子通信基于量子力學基本原理,產(chǎn)生量子隨機密鑰,并利用量子信道實現(xiàn)密鑰分發(fā),從而可實現(xiàn)理論上絕對安全的一次一密。隨著信息安全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,量子通信的重要價值不言而喻,世界各國從政府部門到研究機構,都給予其非同一般的關注: 政府部門出臺政策支持,科研機構推動技術研發(fā)。迄今為止,包括我國在內的世界主要國家,都在角逐量子通信技術和量子通信系統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)展的主導地位。
近來,量子通信的發(fā)展愈加豐富,但一般可將具有一定特點的理論協(xié)議或者方案大致劃分為量子密鑰分發(fā)(QKD)、量子安全直接通信(QSDC)、量子隱形傳態(tài)(QT)和量子秘密共享(QSS)等。當然有不少學者的分類方法更為細致,又或者略有不同,但是如果從諸多種類協(xié)議或方案中選擇出最為熟悉的,那么非BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議莫屬。中國、美國和日本等國家都在構建或已實現(xiàn)了量子通信干線及網(wǎng)絡。
另外,需要直面的是,盡管量子通信在保密通信研究中具有突出的理論優(yōu)勢,但是在實際應用研究中仍然存在安全性和可靠性等問題,所以竊聽者總是能夠抓住系統(tǒng)存在的任何漏洞,針對實際量子通信中的各種安全隱患進行攻擊。未來隨著器件工藝和技術瓶頸的突破,研制滿足量子通信理論安全要求的器件是必不可少的,但當下,相關研究人員也已從器件選用和協(xié)議構建的角度去防御攻擊。
從量子通信誕生之初,褒揚和質疑便不絕于耳,新生的事物向來需要經(jīng)歷社會的歷練,具有顛覆性價值的技術更是如此。量子通信從20世紀80年代誕生的第一個協(xié)議以來,已經(jīng)形成了較為完善的技術領域體系和技術發(fā)展生態(tài)環(huán)境,未來仍然需要在此基礎上進一步取得突破性進展,從而開發(fā)出人們日常生活中看得見、摸得著的保密通信應用。
前言量子通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)本書較為系統(tǒng)全面地闡述了量子通信的理論基礎、關鍵技術和典型系統(tǒng)設計內容,可為相關領域工作者和興趣愛好者提供理論知識、實踐方法和參考樣例。從通信的發(fā)展入手,介紹保密通信的困境,以及量子通信的重要意義;對量子通信的主要協(xié)議和方案進行了歸納講解,并針對量子通信系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的關鍵技術、攻擊和防御,以及量子通信網(wǎng)絡的建設情況進行了分析;尤以典型量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)設計和實現(xiàn)為例,闡述了量子通信系統(tǒng)的構建。
全書共10章。第1章量子通信技術發(fā)展,介紹量子通信的發(fā)展起源和價值,以及目前的研究形勢;第2章量子力學基礎,提供相關研究的部分預備知識;第3~6章量子通信理論原理和協(xié)議方案,具體涵蓋量子密鑰分發(fā)、量子安全直接通信、量子隱形傳態(tài)和量子秘密共享;第7、8章分別介紹量子通信中部分關鍵技術和量子通信中一些安全問題;第9、10章簡述量子通信網(wǎng)絡和典型量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)案例。
中國航天科工集團的張國萬、霍娟、朱云亮、程學彬和姜來對手稿進行了全面仔細的審核,毛磊、王智斌、劉笑華為本書的出版提出了寶貴的意見和建議,在此表示衷心的感謝!全書的編寫工作得到了中國航天科工集團同仁的大力支持,在此一并表示感謝!最后感謝北京航空航天大學出版社各位老師認真而全面的校對和對本書付出的精心指導!
量子通信領域每隔一段時間就會有大量成果涌出,本書不能以偏概全。另外由于作者水平有限,書中難免存在不妥之處,敬請讀者批評指正。
作者
2022年1月
第1章量子通信技術發(fā)展1
1.1通信技術的發(fā)展1
1.2保密通信3
1.3密碼學3
1.3.1密碼學的發(fā)展4
1.3.2密碼學的分類6
1.4量子計算與量子通信8
1.4.1量子計算的優(yōu)勢9
1.4.2傳統(tǒng)保密通信中的困難11
1.4.3量子通信的興起12
1.5國內外量子通信戰(zhàn)略13
1.5.1國外戰(zhàn)略布局13
1.5.2國內戰(zhàn)略發(fā)展20
1.6國內外量子通信技術發(fā)展22
1.6.1國外發(fā)展現(xiàn)狀22
1.6.2國內發(fā)展現(xiàn)狀24
1.7注記25
參考文獻26
第2章量子力學基礎27
2.1常用概念及工具27
2.1.1希爾伯特空間27
2.1.2量子態(tài)28
2.1.3量子態(tài)疊加28
2.1.4量子比特29
2.1.5光子編碼30
2.1.6直積態(tài)和糾纏態(tài)31
2.1.7量子糾纏純化32
2.1.8量子門33
2.2量子力學基本理論34
2.2.1海森堡測不準原理35
2.2.2量子不可克隆定理36
2.2.3EPR悖論37
2.3注記39
參考文獻39
目錄量子通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)第3章量子密鑰分發(fā)41
3.1量子密鑰分發(fā)的原理與發(fā)展41
3.1.1量子密鑰分發(fā)原理41
3.1.2協(xié)議研究進展43
3.2部分典型量子密鑰分發(fā)協(xié)議45
3.2.1BB84協(xié)議45
3.2.2B92協(xié)議47
3.2.3E91協(xié)議48
3.2.4典型協(xié)議安全性分析50
3.3誘騙態(tài)MDIQKD協(xié)議51
3.4注記53
參考文獻54
第4章量子安全直接通信55
4.1量子安全直接通信的原理與發(fā)展55
4.1.1量子安全直接通信原理56
4.1.2量子安全直接通信與量子密鑰分發(fā)57
4.1.3量子安全直接通信協(xié)議發(fā)展57
4.2部分量子安全直接通信協(xié)議59
4.2.1高效量子安全直接通信協(xié)議59
4.2.2乒乓協(xié)議60
4.2.3LM05協(xié)議61
4.2.4兩步量子安全直接通信協(xié)議62
4.2.5改進兩步量子安全直接通信協(xié)議64
4.2.6一次一密量子安全直接通信協(xié)議68
4.2.7高維量子安全直接通信協(xié)議69
4.2.8其他GHZ量子安全直接通信協(xié)議70
4.2.9抗噪聲的量子安全直接通信協(xié)議71
4.3注記72
參考文獻72
第5章量子隱形傳態(tài)75
5.1量子隱形傳態(tài)的原理與發(fā)展75
5.1.1量子隱形傳態(tài)原理75
5.1.2量子隱形傳態(tài)協(xié)議發(fā)展77
5.2量子隱形傳態(tài)的主要類別78
5.2.1分離變量量子隱形傳態(tài)78
5.2.2連續(xù)變量量子隱形傳態(tài)79
5.2.3受控量子隱形傳態(tài)81
5.3注記82
參考文獻83
第6章量子秘密共享85
6.1量子秘密共享的產(chǎn)生85
6.2量子秘密共享協(xié)議研究86
6.2.1典型量子秘密共享86
6.2.2安全直接通信下的量子秘密共享87
6.2.3多方與多方的量子秘密共享87
6.2.4動態(tài)量子秘密共享88
6.2.5半量子秘密共享89
6.2.6局部操作和經(jīng)典通信下的量子秘密共享89
6.3典型協(xié)議介紹90
6.3.1第一個量子秘密共享協(xié)議——HBB90
6.3.2雙光子三維Bell態(tài)量子秘密共享協(xié)議92
6.4注記94
參考文獻94
第7章量子通信中的關鍵技術97
7.1量子光源制備技術97
7.1.1單光子源98
7.1.2糾纏光源100
7.2量子隨機數(shù)發(fā)生技術101
7.2.1量子隨機數(shù)研究現(xiàn)狀概述102
7.2.2基于光子路徑選擇的量子隨機數(shù)103
7.2.3設備無關的量子隨機數(shù)105
7.2.4基于量子隧穿效應的量子隨機數(shù)106
7.2.5基于庫侖阻塞效應的量子隨機數(shù)108
7.3單光子探測技術109
7.3.1基于光電倍增管的單光子探測109
7.3.2基于雪崩二極管的單光子探測111
7.3.3超導單光子探測112
7.4量子中繼技術114
7.4.1量子中繼的原理114
7.4.2量子中繼方案115
7.5量子編碼技術116
7.5.1量子編碼的問題116
7.5.2量子編碼的發(fā)展117
7.6注記118
參考文獻118
第8章量子通信中的安全問題121
8.1側信道攻擊誘發(fā)的安全性研究121
8.2實用量子通信器件安全性分析概述122
8.2.1光源安全問題123
8.2.2有源光學器件安全問題124
8.2.3無源光學器件安全問題126
8.2.4探測器安全問題127
8.3波長攻擊130
8.3.1波長攻擊原理130
8.3.2BB84系統(tǒng)波長攻擊實驗分析133
8.3.3MDIQKD中波長攻擊下安全性分析136
8.3.4波長攻擊防御策略138
8.4注記139
參考文獻139
第9章量子通信網(wǎng)絡141
9.1量子通信網(wǎng)絡的發(fā)展141
9.2量子通信網(wǎng)絡中間節(jié)點技術方案143
9.2.1基于量子中繼的方案143
9.2.2基于光開關的方案144
9.2.3基于可信中繼的方案145
9.2.4基于多路復用器的方案146
9.2.5基于集控站的方案147
9.3各國及地區(qū)的量子通信網(wǎng)絡148
9.3.1美國DARPA量子通信網(wǎng)絡148
9.3.2美國洛斯阿拉莫斯量子通信網(wǎng)絡149
9.3.3美國巴特爾量子通信網(wǎng)絡150
9.3.4歐洲SECOQC量子通信網(wǎng)絡150
9.3.5瑞士日內瓦量子通信網(wǎng)絡151
9.3.6西班牙馬德里量子通信網(wǎng)絡152
9.3.7中國合肥3節(jié)點和5節(jié)點量子電話網(wǎng)152
9.3.8中國蕪湖量子政務網(wǎng)153
9.3.9日本量子通信網(wǎng)絡153
9.4量子衛(wèi)星通信154
9.5量子網(wǎng)絡中的身份驗證和路由155
9.6注記156
參考文獻157
第10章典型量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)案例159
10.1量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)一般性模型159
10.1.1量子光源160
10.1.2量子態(tài)制備161
10.1.3量子信道和經(jīng)典信道161
10.1.4量子態(tài)探測162
10.1.5后處理164
10.2“plug&play”量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)164
10.2.1“plug&play”量子密鑰分發(fā)方案165
10.2.2“plug&play”系統(tǒng)主要組成和工作流程167
10.2.3結構層級劃分和模塊功能169
10.3基于連續(xù)變量的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)171
10.3.1基于連續(xù)變量的量子密鑰分發(fā)方案171
10.3.2關鍵模塊設計173
10.3.3模塊化封裝及系統(tǒng)集成176
10.4星地量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)176
10.4.1星地量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)方案177
10.4.2星載ATP系統(tǒng)設計177
10.4.3粗精跟蹤系統(tǒng)設計180
10.5注記182
參考文獻182
附錄常見英文對照185