光纤量子密钥分配的实验研究

密码学有着古老历史,在近代逐渐发展成为一门系统的应用科学。密码学的应用非常广泛,大到关系国计民生的军事、国防、外交等领域;小到每个人每天的日常生活,如银行帐户存取、网络邮箱管理等,都在应用着密码学的研究成果。 现今应用的密码学主要可以分为对称密钥和非对称密钥(公钥)两大体系。对称密钥在应用中遭遇的最大难题是如何在通信双发之间安全的分发密钥;公钥体系虽然可以使用不同的加密密钥和解密密钥,但是其安全性是建立在计算复杂度的基础之上,在计算机计算能力大幅度提高的今天,特别是分布式计算出现和量子计算机研究的发展,使其安全性受到了前所未有的威胁。 量子密码学是量子力学和密码学结合的产物,它由量子力学的基本原理(测量塌缩理论、海森堡不确定原理和量子不可克隆定律)保证了:密钥可以被安全分发,量子线路中存在的窃听行为可以被收发双发检测到。使用量子密钥分配分发的安全密钥,结合“一次一密”的加密方法,可以实现绝对安全的保密通信。正是由于量子密码技术的安全特性,使其成为了下一代的保密通信技术。经过了大量科研人员20余年的不懈努力,量子密码技术在理论和实验方面都取得了突飞猛进的发展。 本文主要总结了最近4年内,我们在量子密钥分配技术的工程实现方面走过的道路和取得的主要成果。我们的实验研究基于通信波长光纤相位编码方案,主要包含了以下几个方面: 1.我们建立了一套基于Faraday-Michelson干涉仪的量子密钥分配系统(F-M系统),包含了完整硬件控制电路和配套软件。系统在原有系统基础上将光脉冲重复速率提高到了1 MHz(原有系统速率为10 kHz),采用USB2.0接口与主机进行数据交互,实现了“即插即用”。 2.基于F-M量子密钥分配系统,和国际上最近提出的诱骗念(decoy)量子密钥分配协议,我们进行一系列的decoy态量子密钥分配实验,包括:实验室内123 km的光纤单诱骗态(两态)量子密钥分配实验,以及北京网通商用光纤线路中的32 km两态decoy量子密钥实验。前者是截至目前国际上现有报道中,距离最远的两decoy态量子密钥分配实验,后者是目前为止国际上仅有的实际商用光纤线路的decoy态量子密钥分配实验。 3.标记单光子源(HSPS)是近几年引起较多关注的光源,它基于晶体的自发参量下转换过程,由于利用了辐射的双光子之间的时间关联性,可以在理论上产生优于现有弱相干光源的光子分布,我们在国际上首次通过实验验证了:将HSPS与decoy态QKD技术相结合的方案,在同等条件下,可以得到目前最接近于理想单光子光源的密钥生成性能。 4.量子密钥分配网络是当前国际上研究的热点之一。我们于2007年3—4月在北京网通的商用光纤骨干网络中,利用自主研发的基于波长路由原理的“量子路由器”,实现了四端口星型量子密钥分配网络的试运行。证明了我们提出的量子密钥分配网络方案可以与现有光纤骨干网络集成,并可覆盖大型都市。这是中国首个在商用光纤中运行的量子密钥分配网络,并且也是目前国际上唯一的在商用光纤中运行的,无中转可全连通的量子密钥分配网络。此外,我们也对星型网络在扩展时,网络串扰对用户造成的影响进行了理论分析,并取得了初步的实验结果。