量子密码的实验研究

密码学是一门有着古老历史的应用科学。自古以来，它一直在军事国防、外交等领域发挥着重要的作用。现代密码学分为公钥密码和私钥密码两大体系。私钥密码长期以来存在如何在通讯双方之间安全地交换密钥的难题。而公钥密码的安全性都是建立在计算复杂度的基础上，随着电子计算机技术的发展以及近些年来提出的量子计算机的概念，公钥密码的安全性受到了严重的挑战。量子密码是量子力学与密码学相结合的产物，它巧妙地解决了密钥分配的难题：第一，量子密码的安全性是建立在量子力学的基础上。因此，只要量子力学是正确的，量子密码体系的安全性就能够得到保障。第二，密钥分配过程可以在公开信道中进行而不担心被窃听。量子力学的基本原理保证了任何窃听行为都能够被检测出来。自从Bennett等人提出第一个量子密钥分配协议以来，量子密码如雨后春笋般的发展起来。经过二十年来物理学家和工程师的不懈努力，量子密码已经出现了商业产品并在信息安全领域得到小规模试用。 本文的主要内容是关于量子密钥分配的实验研究，包含以下几个方面的内容： 1．我们建立了一套工作波长为850nm，极限传输距离为14.8千米的光纤量子密钥分配系统。近年来，光纤量子密钥分配实验在国内外都取得了很大的进步。从最初的不等臂Mach-Zehnder干涉环系统，发展到到后来的“Plug & Play”系统。虽然“Plug & Play”系统具有较高的光学稳定性，但是这种双向传输系统在单光子条件下传输距离减半并且容易受到特洛伊木马攻击。我们采用不等臂Mach-Zehnder干涉环为基础，建立了一套工作波长为850nm的量子密钥分配系统。实验中，干涉环臂差为8米，激光脉冲的时间宽度为1ns，传输光纤采用850nm单模光纤，极限传输距离为14.8千米，途中光学损耗超过了30dB。实验测得的单光子条纹干涉度可以达到94％以上，系统的总误码率低于10％。 2．我们建立了一套工作波长为1550nm，极限传输距离在20千米左右的光纤量子密钥分配系统。由于在光纤中红外波段的损耗比850nm更小，并且现有的光纤通讯网络都