20189218 2018-2019-2 《密码与安全新技术专题》第3周做业

20189218 2018-2019-2 《密码与安全新技术专题》第3周做业

课程：《密码与安全新技术专题》

班级： 1892
姓名： 冯乾
学号： 20189218
上课教师：孙莹
上课日期：2019年3月12日
必修/选修： 选修

1.本次讲座的学习总结

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研究背景

对于对称密码体制来讲，加解密速度快，适合大文件批量加密，但在密钥分配、密钥管理方面存在困难，且没有签名功能；对于公钥密码体制来讲，能够解决在密钥分配、密钥管理方面的问题，而且具备签名功能，但加解密速度较慢，不适合大文件的批量加密，所以在实际使用中多使用混合密码体制，即用公钥密码体制分发会话密钥， 用对称密码体制加密数据。

但尽管如此，这种密码体制仍面临量子计算带来的安全性挑战，量子计算使当前的密码算法不那么安全，所以须要一种新技术来确保安全性，经过运用量子密码技术，进行量子密钥分配，将量子密钥的不可窃听性和一次一密体制的不可译性结合起来，能够作到无条件安全的保密通讯。

基本物理概念

什么是量子？
微观世界的某些物理量不能连续变化而只能取某些 分立值，相邻分立值的差称为该物理量的一个量子 。

什么是量子态？

在量子力学里，量子态（quantum state）指的是量子系统的状态。态矢量能够用来抽象地表示量子态。采用狄拉克标记，态矢量表示为右矢|?>；其中，在符号内部的?能够是任何符号，字母，数字，或单字。例如，在计算氢原子能谱时，能级与主量子数n有关，因此，每一个量子态的态矢量能够表示为 |?>。

通常而言，量子态能够是纯态或混合态。上述案例是纯态。混合态是由不少纯态组成的几率混合。不一样的组合可能会组成一样的混合态。当量子态是混合态时，能够用密度矩阵作数学描述，这密度矩阵实际给出的是几率，不是密度。纯态也能够用密度矩阵表示。

哥本哈根诠释以操做定义的方法对量子态作定义：量子态能够从一系列制备程序来辨认，即这程序所制成的量子系统拥有这量子态。例如，使用z-轴方向的施特恩-格拉赫实验仪器，能够将入射的银原子束，依照自旋的z-份量S_z分裂成两道，一道的S_z为上旋，量子态为|↑>或|Z+，另外一道的S_z为下旋，量子态为|↓>或|Z->，这样，能够制备成量子态为|↑>的银原子束，或量子态为|↓>的银原子束。银原子自旋态矢量存在于二维希尔伯特空间。对于这纯态案例，相关的态矢量 |ψ= α|↑+ β|↓>是二维复值矢量 (α , β)，长度为1。

在测量一个量子系统以前，量子理论一般只给出测量结果的几率分布，这几率分布的形式彻底由量子态、相关的可观察量来决定。对于纯态或混合态，均可以从密度矩阵计算出这几率分布。

另外，还有不少种不一样的量子力学诠释。根据实在论诠释，一个量子系统的量子态完整描述了这个量子系统。量子态囊括了全部关于这系统的描述。实证诠释阐明，量子态只与对于量子系统作观察所获得的实验数据有关。按照系综诠释，量子态表明一个系综的在一样情况下制备而成的量子系统，它不适用于单独量子系统。

量子态的可叠加性带来一系列特殊性质 ：

• 量子计算的并行性，强大的计算能力。
• 测不许原理，未知量子态不可准确测量。
• 不可克隆定理，未知量子态不可克隆。
• 对未知量子态的测量可能会改变量子态。

量子态的测量

• 每一个力学量都对应一个厄米算符（矩阵）
• 测量某个力学量时，测量结果为此力学量对应厄米 算符的本征值（特征值）
• 测量后量子态塌缩到此本征值对应的本征态（特征向量）

典型协议和基本模型介绍

具体的BB84协议流程以下：

1. 单光子源产生一个一个的单光子；
2. 发送方Alice 使用偏振片随机生成垂直、水平、＋45°或－45°的偏振态，将选定偏振方向的光子经过量子通道传送给接收方Bob；
3. Bob 随机选用两种测量基测量光子的偏振方向；
4. Bob 将测量结果保密，但将所用的测量基经过经典通道告知Alice；
5. Alice 对比Bob选用的测量基与本身的编码方式，而后经过经典通道告诉Bob哪些基和她用的不一样；
6. Bob 扔掉错误基的测量结果(统计上会扔掉一半的数据)；
7. Alice 和Bob选取一部分保留的密码来检测错误率，若是双方的0、1序列为一致，则断定没有窃听者Eve窃听，剩下未公开的比特序列就留做量子密钥本。
   
   
   再结合上述两个粒子特性来，量子密码学具备两个基本特征：无条件安全性和对窃听的可检测性。

研究现状和实验进展

量子密码协议的设计与分析

• 量子密钥分发
• 量子秘密共享
• 量子安全直接通讯
• 量子身份认证
• 量子抛币
• 量子不经意传输

提升性能的相关技术

• 提升效率：可重用基、纠缠加强、双光子、双探测器
• 提升抗干扰能力：无消相干子空间、量子纠错码
• 提升实际系统抗攻击能力：诱骗态、设备无关

实验技术：速率更高、距离更远、安全性更强

实验进展：
Id Quantique公司, 日内瓦大学量子在2001年研制的密钥分发系统，是第一个商用量子密码系统，最大传输距离达到60 km， 最大密钥分发速率达到1000 bits/s。

美国DARPA网络，欧洲SECOQC网络，日本Tokyo QKD网络。

2016年8月，中国成功发射了世界首颗量子科学实验卫 星“墨子号”。

2017年9月，我国首个商用量子保密通讯专网经过技术验收。（通过中科院、解放军信息工程大学等院校专家组成的评审组现场随机抽测，济南市党政机关量子通讯专网经过技术验收。）

2017年8月，量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了 三大科学实验任务：量子纠缠分发、量子密钥分发、 量子隐形传态。 其中，1200千米的超远距离量子纠缠分发成果登上了国际顶级学术期刊《 Science 》的封面；星地间的远距离量子密钥分发与量子隐形传态同时发表在国际顶级学术期刊《 Nature 》上。

2017年9月，世界首条千千米级量子保密通讯干线——“京沪干线”正式开通。利用“京沪干线”与“墨子号”的天地链路，北京和维也纳之间成功实现了国际上首次洲际量子保密通讯。

2.学习中遇到的问题及解决

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• 问题1：什么是后量子密码？
• 问题1解决方案：网上查阅得知，由于具规模的量子计算机在将来可能出现，因此研究可抵抗量子攻击的密码架构更显重要，这类的研究常被归类为“后量子密码学”。对后量子密码学的需求，始于现今许多公钥加密和签名（如RSA和椭圆曲线）将会被量子计算机上的秀尔算法所破解。当前为止，McEliece和lattice-based的架构仍被认为能够抵抗此类的量子攻击。
• 问题2：量子力学被验证到什么程度了？
• 问题2解决方案：查阅资料得知，除去万有引力以外，其余全部的物理现象都能在量子力学的框架内获得描述。

3.本次讲座的学习感悟、思考等

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量子力学与相对论一块儿被称为现代物理学的两大支柱，能够解释微观系统内的物理现象，从我对量子力学的了解来看，量子力学堪称是为人类打开了新世界的大门。

就我我的对物理的兴趣来讲，从大学以前的有点感兴趣，到大学由于种种缘由的彻底不感兴趣，再到如今对量子力学有初步了解后，到了很是感兴趣的程度。科学技术是第一辈子产力，科技的发展已经大幅改变了人类的生活。科技发展到今天，有可能对人类生活方式产生根本性影响的在我看来只有两点：一是对原子能的利用，二是对量子力学的研究与应用。 对量子力学的初步了解让我感到震惊，量子力学仿佛存在了无限的可能性。

4.量子通讯最新研究现状

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Towards Quantum Communications with Satellites

做者：

• Thomas Jennewein
  • Department of Physic and Astronomy & Institute for Quantum
  • Computing University of Waterloo
  • Waterloo, Canada

本文收入2018 IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM)

本文概述了实施拟议的加拿大量子卫星任务，量子加密和科学卫星（QEYSSat）的活动。 本文将总结有效载荷组件的实验室测试及其演示，以创建地面站和飞机之间的量子联系。 这些结果确立了量子通讯接收机卫星的可行性。

专用量子接收器，如QEYSSat，适用于量子通讯应用和纠缠科学的测试，而且能够与多个不一样的量子发射器链接。 经过过去9年的普遍而专一的研究和开发，本文认为已经可以为太空中的这种量子通讯接收器硬件构建和演示可行的概念。 本文做者开发了一种有效载荷概念，总质量约为20千克，功耗为30瓦，适合在3年内在微型卫星平台上发射。 全部有效载荷部件都被认为具备飞行路径，而且已通过测试并证实能够在完整的地面到空中演示中运行，所以代表该概念是可行的。

Quantum Backscatter Communication: A New Paradigm

做者：

• Roberto Di Candia
  • Dahlem Center for Complex Quantum Systems
  • Freie Universität Berlin
  • Berlin, 14195, Germany
• Riku Jäntti
  • Department of Communications and Networking
  • Aalto University
  • Aalto, Finland
• Ruifeng Duan
  • Department of Communications and Networking
  • Aalto University
  • Espoo, 02150, Finland
• Jari Lietzen
  • Department of Communications and Networking
  • Aalto University
  • Espoo, 02150, Finland
• Hany Khalifa
  • Aalto University
  • Department of Communications and Networking
  • Espoo, 02150, Finland
• Kalle Ruttik
  • Department of Communications and Networking
  • Aalto University
  • Espoo, 02150, Finland

本文收入2018 15th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS)

本文提出了一种新的量子反向散射通讯（QBC）协议，其灵感来自量子照明（QI）概念。 在QBC范例中，发射器产生纠缠的光子对。 信号光子被传输而且闲散光子保持在接收器处。 标签天线经过对撞击在天线上的信号执行脉冲幅度调制（PAM），二进制相移键控（BPSK）或二次相移键控（QPSK）来进行通讯。 使用和频生成接收器，本文的QBC协议实现了PAM和BPSK的6 dB偏差指数增益，以及QPSK相比经典对应增益3 dB。 最后，本文讨论了QI加强的安全反向散射通讯。

Satellite-Earth Quantum Communication: Modeling Daytime Free-Space Atmospheric Channels and Interfaces

做者：

• Mark T. Gruneisen
  • Air Force Research Laboratory
  • Directed Energy Directorate
  • Kirtland AFB， USA
• Michael B. Flanagan
  • Leidos
  • 2109 Air Park Rd.S.E.
  • Albuquerque，USA

本文收入2018 IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM)

白天的天空辐射容易压倒经过卫星到地球量子信道传输的量子信号。最近在夜间条件下进行卫星 - 地球量子通讯的演示以免这个问题。限制接地端子视场（FOV）是用于空间滤波天空噪声的有效技术。然而，大气湍流限制了空间滤波在不引入信号损失的状况降低低天空噪声的程度。从通道到量子系统的界面也受到湍流的不利影响。在单模光纤（SMF）耦合元件的状况下，湍流会致使大的模耦合损耗。这适用于SMF耦合量子探测器，原子系统，集成光子学和光纤网络。本演示文稿回顾了日间卫星 - 地球量子信道和SMF接口的数值模拟结果，这些接口经过超窄光谱滤波和基于自适应光学的技术实现。数值模拟包括低地球轨道传播损耗，天空辐射的日出到日落半球分布，Kolmogorov湍流的统计性质，以及原子线光谱滤波器和自适应光学系统在闭环控制下的影响。量子信息度量量化了卫星经过可能发生的天空角度范围内白天量子信道的性能。

Telecom Wavelength Nanophotonic Elements for Quantum Communication

做者：

• Mohamed Benyoucef
  • Technische Physik
  • Institute of Nanostructure Technologies and Analytics (INA)
  • Center of Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT), University of Kassel, Germany
• Johann Peter Reithmaier
  • Technische Physik
  • Institute of Nanostructure Technologies and Analytics (INA)
  • Center of Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT), University of Kassel, Germany

本文收入2018 IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM)

在本文中，概述了基于InP的量子点和量子通讯光子元件的最新进展。高质量的单光子发射器实现了可忽略不计的双光子事件。 Rabi振荡是在具备嵌入类似类型的QD的p-i-n二极管的光电流中测量的。此外，研究了自旋动力学，肯定了电子和空穴的g因子。经过高分辨率透射电子显微镜研究了这种QD的形态，并与光学光致发光特性进行了比较。在InP膜中实现了高Q纳米腔，其中嵌入了InAs量子点，用于腔加强发射。为直接嵌入InP中的InAs点开发了新的生长技术，这使得如今几乎对称的点几何形状和不可分辨的精细结构分裂小于5μV。这能够容许未来在直接生长的QD中发生纠缠光子发射而不施加外部应变以进行不对称补偿。该器件是量子通讯的一个可能的关键组件。

Test evaluation and standardization progress of QKD based quantum secure communication

做者：

• Jun-sen Lai
  • China Academy of Information and Communication Technology (CAICT), Beijing, China
• Wen-yu Zhao
  • China Academy of Information and Communication Technology (CAICT), Beijing, China
• Hai-yi Zhang
  • China Academy of Information and Communication Technology (CAICT), Beijing, China
• Bing-bing Wu
  • China Academy of Information and Communication Technology (CAICT), Beijing, China
• Rui Tang
  • China Academy of Information and Communication Technology (CAICT), Beijing, China
• Xin Zhao
  • China Academy of Information and Communication Technology (CAICT), Beijing, China

本文收入2018 Asia Communications and Photonics Conference (ACP)

本文提出了基于量子密钥分发（QKD）的量子保密通讯测试评估框架，研究了测试要求和方法，回顾了标准化进展，并讨论了将来的挑战。QKD协议和实际系统的安全性证实，以及针对QKD组件漏洞和系统侧信道的各类威胁的保护解决方案是测试评估和标准化的重要部分之一。 然而，正在进行的学术研究致使新兴的攻击方案并保护对应方，甚至新的协议如MDI-QKD以消除接收机的侧通道，这使得难以造成对QKD安全测试评估和标准化的一致指望。 对于具备相对良好的理论安全性证据的商业化诱饵状态BB84 QKD系统，所提出的包括时移，探测器控制，信道校准和相位重映射的攻击方案仍在研究中，提供针对各类类型的系统级保护解决方案。 潜在的攻击和威胁仍然是悬而未决的问题。

参考资料

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• 量子力学（科普部分）
• 宇宙量子实验验证量子力学理论
• 量子力学
• 量子密碼學
• 量子密码 （物理学概念）
• Test evaluation and standardization progress of QKD based quantum secure communication
• Satellite-Earth Quantum Communication: Modeling Daytime Free-Space Atmospheric Channels and Interfaces
• Quantum Backscatter Communication: A New Paradigm
• Towards Quantum Communications with Satellites
• Telecom Wavelength Nanophotonic Elements for Quantum Communication