20189218 2018-2019-2 《密碼與安全新技術專題》第3周做業

時間 2019-11-09

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20189218 2018-2019-2 《密碼與安全新技術專題》第3周做業

課程：《密碼與安全新技術專題》html

班級： 1892
姓名：馮乾
學號： 20189218
上課教師：孫瑩
上課日期：2019年3月12日
必修/選修：選修算法

1.本次講座的學習總結

研究背景

對於對稱密碼體制來講，加解密速度快，適合大文件批量加密，但在密鑰分配、密鑰管理方面存在困難，且沒有簽名功能；對於公鑰密碼體制來講，能夠解決在密鑰分配、密鑰管理方面的問題，而且具備簽名功能，但加解密速度較慢，不適合大文件的批量加密，所以在實際使用中多使用混合密碼體制，即用公鑰密碼體制分發會話密鑰，用對稱密碼體制加密數據。

但儘管如此，這種密碼體制仍面臨量子計算帶來的安全性挑戰，量子計算使當前的密碼算法不那麼安全，所以須要一種新技術來確保安全性，經過運用量子密碼技術，進行量子密鑰分配，將量子密鑰的不可竊聽性和一次一密體制的不可譯性結合起來，能夠作到無條件安全的保密通訊。安全

基本物理概念

什麼是量子？
微觀世界的某些物理量不能連續變化而只能取某些分立值，相鄰分立值的差稱爲該物理量的一個量子。

什麼是量子態？網絡

在量子力學裏，量子態（quantum state）指的是量子系統的狀態。態矢量能夠用來抽象地表示量子態。採用狄拉克標記，態矢量表示爲右矢|?>；其中，在符號內部的?能夠是任何符號，字母，數字，或單字。例如，在計算氫原子能譜時，能級與主量子數n有關，因此，每一個量子態的態矢量能夠表示爲 |?>。
架構

通常而言，量子態能夠是純態或混合態。上述案例是純態。混合態是由不少純態組成的機率混合。不一樣的組合可能會組成一樣的混合態。當量子態是混合態時，能夠用密度矩陣作數學描述，這密度矩陣實際給出的是機率，不是密度。純態也能夠用密度矩陣表示。框架

哥本哈根詮釋以操做定義的方法對量子態作定義：量子態能夠從一系列製備程序來辨認，即這程序所製成的量子系統擁有這量子態。例如，使用z-軸方向的施特恩-格拉赫實驗儀器，能夠將入射的銀原子束，依照自旋的z-份量S_z分裂成兩道，一道的S_z爲上旋，量子態爲|↑>或|Z+，另外一道的S_z爲下旋，量子態爲|↓>或|Z->，這樣，能夠製備成量子態爲|↑>的銀原子束，或量子態爲|↓>的銀原子束。銀原子自旋態矢量存在於二維希爾伯特空間。對於這純態案例，相關的態矢量 |ψ= α|↑+ β|↓>是二維復值矢量 (α , β)，長度爲1。

在測量一個量子系統以前，量子理論一般只給出測量結果的機率分佈，這機率分佈的形式徹底由量子態、相關的可觀察量來決定。對於純態或混合態，均可以從密度矩陣計算出這機率分佈。

另外，還有不少種不一樣的量子力學詮釋。根據實在論詮釋，一個量子系統的量子態完整描述了這個量子系統。量子態囊括了全部關於這系統的描述。實證詮釋闡明，量子態只與對於量子系統作觀察所獲得的實驗數據有關。按照系綜詮釋，量子態表明一個系綜的在一樣情況下製備而成的量子系統，它不適用於單獨量子系統。
less

量子態的可疊加性帶來一系列特殊性質：jsp

量子計算的並行性，強大的計算能力。
測不許原理，未知量子態不可準確測量。
不可克隆定理，未知量子態不可克隆。
對未知量子態的測量可能會改變量子態。

量子態的測量性能

每一個力學量都對應一個厄米算符（矩陣）
測量某個力學量時，測量結果爲此力學量對應厄米算符的本徵值（特徵值）
測量後量子態塌縮到此本徵值對應的本徵態（特徵向量）

典型協議和基本模型介紹

具體的BB84協議流程以下：學習

單光子源產生一個一個的單光子；
發送方Alice 使用偏振片隨機生成垂直、水平、＋45°或－45°的偏振態，將選定偏振方向的光子經過量子通道傳送給接收方Bob；
Bob 隨機選用兩種測量基測量光子的偏振方向；
Bob 將測量結果保密，但將所用的測量基經過經典通道告知Alice；
Alice 對比Bob選用的測量基與本身的編碼方式，而後經過經典通道告訴Bob哪些基和她用的不一樣；
Bob 扔掉錯誤基的測量結果(統計上會扔掉一半的數據)；
Alice 和Bob選取一部分保留的密碼來檢測錯誤率，若是雙方的0、1序列爲一致，則斷定沒有竊聽者Eve竊聽，剩下未公開的比特序列就留做量子密鑰本。

再結合上述兩個粒子特性來，量子密碼學具備兩個基本特徵：無條件安全性和對竊聽的可檢測性。

研究現狀和實驗進展

量子密碼協議的設計與分析

量子密鑰分發
量子祕密共享
量子安全直接通訊
量子身份認證
量子拋幣
量子不經意傳輸

提升性能的相關技術

提升效率：可重用基、糾纏加強、雙光子、雙探測器
提升抗干擾能力：無消相干子空間、量子糾錯碼
提升實際系統抗攻擊能力：誘騙態、設備無關

實驗技術：速率更高、距離更遠、安全性更強

實驗進展：
Id Quantique公司, 日內瓦大學量子在2001年研製的密鑰分發系統，是第一個商用量子密碼系統，最大傳輸距離達到60 km，最大密鑰分發速率達到1000 bits/s。

美國DARPA網絡，歐洲SECOQC網絡，日本Tokyo QKD網絡。

2016年8月，中國成功發射了世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」。

2017年9月，我國首個商用量子保密通訊專網經過技術驗收。（通過中科院、解放軍信息工程大學等院校專家組成的評審組現場隨機抽測，濟南市黨政機關量子通訊專網經過技術驗收。）

2017年8月，量子科學實驗衛星「墨子號」圓滿完成了三大科學實驗任務：量子糾纏分發、量子密鑰分發、量子隱形傳態。其中，1200千米的超遠距離量子糾纏分發成果登上了國際頂級學術期刊《 Science 》的封面；星地間的遠距離量子密鑰分發與量子隱形傳態同時發表在國際頂級學術期刊《 Nature 》上。

2017年9月，世界首條千千米級量子保密通訊幹線——「京滬幹線」正式開通。利用「京滬幹線」與「墨子號」的天地鏈路，北京和維也納之間成功實現了國際上首次洲際量子保密通訊。

2.學習中遇到的問題及解決

問題1：什麼是後量子密碼？
問題1解決方案：網上查閱得知，由於具規模的量子計算機在將來可能出現，因此研究可抵抗量子攻擊的密碼架構更顯重要，這類的研究常被歸類爲「後量子密碼學」。對後量子密碼學的需求，始於現今許多公鑰加密和簽名（如RSA和橢圓曲線）將會被量子計算機上的秀爾算法所破解。當前爲止，McEliece和lattice-based的架構仍被認爲能夠抵抗此類的量子攻擊。
問題2：量子力學被驗證到什麼程度了？
問題2解決方案：查閱資料得知，除去萬有引力以外，其餘全部的物理現象都能在量子力學的框架內獲得描述。

3.本次講座的學習感悟、思考等

量子力學與相對論一塊兒被稱爲現代物理學的兩大支柱，能夠解釋微觀系統內的物理現象，從我對量子力學的瞭解來看，量子力學堪稱是爲人類打開了新世界的大門。

就我我的對物理的興趣來講，從大學以前的有點感興趣，到大學由於種種緣由的徹底不感興趣，再到如今對量子力學有初步瞭解後，到了很是感興趣的程度。科學技術是第一輩子產力，科技的發展已經大幅改變了人類的生活。科技發展到今天，有可能對人類生活方式產生根本性影響的在我看來只有兩點：一是對原子能的利用，二是對量子力學的研究與應用。對量子力學的初步瞭解讓我感到震驚，量子力學彷彿存在了無限的可能性。

4.量子通訊最新研究現狀

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)

本文概述了實施擬議的加拿大量子衛星任務，量子加密和科學衛星（QEYSSat）的活動。本文將總結有效載荷組件的實驗室測試及其演示，以創建地面站和飛機之間的量子聯繫。這些結果確立了量子通訊接收機衛星的可行性。

專用量子接收器，如QEYSSat，適用於量子通訊應用和糾纏科學的測試，而且能夠與多個不一樣的量子發射器鏈接。經過過去9年的普遍而專一的研究和開發，本文認爲已經可以爲太空中的這種量子通訊接收器硬件構建和演示可行的概念。本文做者開發了一種有效載荷概念，總質量約爲20千克，功耗爲30瓦，適合在3年內在微型衛星平臺上發射。全部有效載荷部件都被認爲具備飛行路徑，而且已通過測試並證實能夠在完整的地面到空中演示中運行，所以代表該概念是可行的。

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)

本文提出了一種新的量子反向散射通訊（QBC）協議，其靈感來自量子照明（QI）概念。在QBC範例中，發射器產生糾纏的光子對。信號光子被傳輸而且閒散光子保持在接收器處。標籤天線經過對撞擊在天線上的信號執行脈衝幅度調製（PAM），二進制相移鍵控（BPSK）或二次相移鍵控（QPSK）來進行通訊。使用和頻生成接收器，本文的QBC協議實現了PAM和BPSK的6 dB偏差指數增益，以及QPSK相比經典對應增益3 dB。最後，本文討論了QI加強的安全反向散射通訊。

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)

白天的天空輻射容易壓倒經過衛星到地球量子信道傳輸的量子信號。最近在夜間條件下進行衛星 - 地球量子通訊的演示以免這個問題。限制接地端子視場（FOV）是用於空間濾波天空噪聲的有效技術。然而，大氣湍流限制了空間濾波在不引入信號損失的狀況降低低天空噪聲的程度。從通道到量子系統的界面也受到湍流的不利影響。在單模光纖（SMF）耦合元件的狀況下，湍流會致使大的模耦合損耗。這適用於SMF耦合量子探測器，原子系統，集成光子學和光纖網絡。本演示文稿回顧了日間衛星 - 地球量子信道和SMF接口的數值模擬結果，這些接口經過超窄光譜濾波和基於自適應光學的技術實現。數值模擬包括低地球軌道傳播損耗，天空輻射的日出到日落半球分佈，Kolmogorov湍流的統計性質，以及原子線光譜濾波器和自適應光學系統在閉環控制下的影響。量子信息度量量化了衛星經過可能發生的天空角度範圍內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，概述了基於InP的量子點和量子通訊光子元件的最新進展。高質量的單光子發射器實現了可忽略不計的雙光子事件。 Rabi振盪是在具備嵌入類似類型的QD的p-i-n二極管的光電流中測量的。此外，研究了自旋動力學，肯定了電子和空穴的g因子。經過高分辨率透射電子顯微鏡研究了這種QD的形態，並與光學光致發光特性進行了比較。在InP膜中實現了高Q納米腔，其中嵌入了InAs量子點，用於腔加強發射。爲直接嵌入InP中的InAs點開發了新的生長技術，這使得如今幾乎對稱的點幾何形狀和不可分辨的精細結構分裂小於5μV。這能夠容許未來在直接生長的QD中發生糾纏光子發射而不施加外部應變以進行不對稱補償。該器件是量子通訊的一個可能的關鍵組件。

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)

本文提出了基於量子密鑰分發（QKD）的量子保密通訊測試評估框架，研究了測試要求和方法，回顧了標準化進展，並討論了將來的挑戰。QKD協議和實際系統的安全性證實，以及針對QKD組件漏洞和系統側信道的各類威脅的保護解決方案是測試評估和標準化的重要部分之一。然而，正在進行的學術研究致使新興的攻擊方案並保護對應方，甚至新的協議如MDI-QKD以消除接收機的側通道，這使得難以造成對QKD安全測試評估和標準化的一致指望。對於具備相對良好的理論安全性證據的商業化誘餌狀態BB84 QKD系統，所提出的包括時移，探測器控制，信道校準和相位重映射的攻擊方案仍在研究中，提供針對各類類型的系統級保護解決方案。潛在的攻擊和威脅仍然是懸而未決的問題。