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

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

研究背景

对于对称密码体制来说，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说，可以解决在密钥分配、密钥管理方面的问题，并且具有签名功能，但加解密速度较慢，不适合大文件的批量加密，因此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，因此需要一种新技术来确保安全性，通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，可以做到无条件安全的保密通信。

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。态矢量可以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?可以是任何符号，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，所以，每个量子态的态矢量可以表示为 |?>。

一般而言，量子态可以是纯态或混合态。上述案例是纯态。混合态是由很多纯态组成的概率混合。不同的组合可能会组成同样的混合态。当量子态是混合态时，可以用密度矩阵做数学描述，这密度矩阵实际给出的是概率，不是密度。纯态也可以用密度矩阵表示。

哥本哈根诠释以操作定义的方法对量子态做定义：量子态可以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，可以将入射的银原子束，依照自旋的z-分量S_z分裂成两道，一道的S_z为上旋，量子态为|↑>或|Z+，另一道的S_z为下旋，量子态为|↓>或|Z->，这样，可以制备成量子态为|↑>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之前，量子理论通常只给出测量结果的概率分布，这概率分布的形式完全由量子态、相关的可观察量来决定。对于纯态或混合态，都可以从密度矩阵计算出这概率分布。

另外，还有很多种不同的量子力学诠释。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。量子态囊括了所有关于这系统的描述。实证诠释阐明，量子态只与对于量子系统做观察所得到的实验数据有关。按照系综诠释，量子态代表一个系综的在同样状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。
测不准原理，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协议流程如下：

单光子源产生一个一个的单光子；
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通过量子通道传送给接收方Bob；
Bob 随机选用两种测量基测量光子的偏振方向；
Bob 将测量结果保密，但将所用的测量基通过经典通道告知Alice；
Alice 对比Bob选用的测量基与自己的编码方式，然后通过经典通道告诉Bob哪些基和她用的不同；
Bob 扔掉错误基的测量结果(统计上会扔掉一半的数据)；
Alice 和Bob选取一部分保留的密码来检测错误率，如果双方的0、1序列为一致，则判定没有窃听者Eve窃听，剩下未公开的比特序列就留作量子密钥本。

再结合上述两个粒子特性来，量子密码学具有两个基本特征：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
量子安全直接通信
量子身份认证
量子抛币
量子不经意传输

提高性能的相关技术

提高效率：可重用基、纠缠增强、双光子、双探测器
提高抗干扰能力：无消相干子空间、量子纠错码
提高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信专网通过技术验收。（经过中科院、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信专网通过技术验收。）

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公里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，世界首条千公里级量子保密通信干线——“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信。

2.学习中遇到的问题及解决

问题1：什么是后量子密码？
问题1解决方案：网上查阅得知，因为具规模的量子计算机在未来可能出现，所以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的架构仍被认为可以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，除去万有引力之外，其他所有的物理现象都能在量子力学的框架内得到描述。

3.本次讲座的学习感悟、思考等

量子力学与相对论一起被称为现代物理学的两大支柱，可以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。

就我个人对物理的兴趣来说，从大学之前的有点感兴趣，到大学因为种种原因的完全不感兴趣，再到现在对量子力学有初步了解后，到了非常感兴趣的程度。科学技术是第一生产力，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.量子通信最新研究现状

Towards Quantum Communications with Satellites

作者：

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，以建立地面站和飞机之间的量子联系。这些结果确立了量子通信接收机卫星的可行性。

专用量子接收器，如QEYSSat，适用于量子通信应用和纠缠科学的测试，并且可以与多个不同的量子发射器连接。通过过去9年的广泛而专注的研究和开发，本文认为已经能够为太空中的这种量子通信接收器硬件构建和演示可行的概念。本文作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。所有有效载荷部件都被认为具有飞行路径，并且已经过测试并证明可以在完整的地面到空中演示中运行，因此表明该概念是可行的。

Quantum Backscatter Communication: A New Paradigm

作者：

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信（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。信号光子被传输并且闲散光子保持在接收器处。标签天线通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）来进行通信。使用和频生成接收器，本文的QBC协议实现了PAM和BPSK的6 dB误差指数增益，以及QPSK相比经典对应增益3 dB。最后，本文讨论了QI增强的安全反向散射通信。

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

作者：

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通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 - 地球量子通信的演示以避免这个问题。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情况下降低天空噪声的程度。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）耦合元件的情况下，湍流会导致大的模耦合损耗。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，这些接口通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通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

作者：

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的量子点和量子通信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振荡是在具有嵌入相似类型的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，确定了电子和空穴的g因子。通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，用于腔增强发射。为直接嵌入InP中的InAs点开发了新的生长技术，这使得现在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。这可以允许将来在直接生长的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。该器件是量子通信的一个可能的关键组件。

Test evaluation and standardization progress of QKD based quantum secure communication

作者：

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）的量子保密通信测试评估框架，研究了测试要求和方法，回顾了标准化进展，并讨论了未来的挑战。QKD协议和实际系统的安全性证明，以及针对QKD组件漏洞和系统侧信道的各种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导致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，这使得难以形成对QKD安全测试评估和标准化的一致期望。对于具有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，提供针对各种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。