基于BB84协议的量子密钥分发模拟实验.doc

基于BB84协议的量子密钥分发模拟实验.doc基于BB84协议的量子密钥分发模拟实验
量子密钥分发是量子信息的重要应用，由于真实量子密钥分发实验 的仪器昂贵，很难用于教学。本文利用本科教学常规的光学实验仪器，在 限定光束不可分的前提下，通过对光的偏振的调制和测量，模拟出BB84 协议的量子密钥分发通信过程。具有仪器简单，原理清晰的特点，对量子 信息的教学很有帮助。
【关键词】BB84协议量子密钥分发单光子模拟
量子密钥分发利用量子力学的原理，可使真正通信的双方获得绝对安 全的密钥，有广泛的应用前景。在大学中开设量子密钥分发实验对学生理 解量子信息和量子保密通信很有帮助。但真实的量子密钥分发实验装置非 常贵，一般学校很难用于实验教学。本文以量子密钥分发中最典型的BB84 协议实验为对象，提出一种简易的模拟实验，模拟BB84协议通信的过程 和结果。具有仪器便宜，原理演示清楚的特点，非常适合量子密钥分发的 实验教学。
1实验原理
下面首先简单介绍量子密钥分发中偏振编码的BB84协议。按通常约 定，真实通信的双方分别称为Alice （发送方）和Bob （接收方），窃听者 称为Eve。在BB84协议中，信息的发送方Alice将信息加载在单光子的 四种偏振态上，其中光子水平偏振态丨1＞和竖直偏振态I 0
＞构成希尔伯特空 间的一组正交归一基X,而45°偏振态|+〉与135°偏振态|-〉构成另外一 组正交归一基Z。令态|1＞和态|+〉表示1,态|0＞和态1-〉表示0。
BB84协议的主要内容为：
Alice随机地选择基以及0和1来调制一系列的单光子，然后通 过量子信道把加载了信息的单光子序列发送给Bob0
Bob随机地从两组测量基中选择一种，对收到的每个光子进行测 量并记录他的测量值和所用的测量基。
Bob通过经典信道告诉Alice他每次测量所选的基，而Alice通 过对比后告诉Bob哪些测量是选对了基而予以保留，这样Alice和Bob就 拥有一组所选的基相一致的随机二进制序列，称为筛选码。
Alice和Bob从筛选码中随机选取n位并公开宣布其值和所选 的基，以估计信道参数和量子比特误码率。
若误码较高，那么就放弃本次通信。若误码率较低，那么通过 误码纠错和私钥放大等后处理方法就可除去Eve获得的信息，得到Eve 一 无所知的Alice和Bob共有的随机密钥。
本文以普通激光脉冲来代替单光子进行模拟实验，这里需要有两个限 定：一是限定光脉冲不可分。这是因为实际单光子是不可分的，模拟中把 激光二极管发出的一个光脉冲当作一个光子来看(当然光脉冲不是单光 子)。二是限定探测器在接收到一半光强时将随机地输出0或1,以模拟单 光子通过与其偏振方向成45°角的偏振分束片时，各以50%的概率透射和 反射的情况。
2实验过程
实验装置如图1所示。图中由控制器1控制的LI、L2、L3和L4是加 有偏振片的二极管激光器，发射偏振方向分别为0、45°、90°和135° 的偏振光。光经过小孔光阑K1后,再通过凸透镜LA后变成平行光发给Bob。 光经50： 50的分束片BS后分成等光强的两束，其中一束光经0°方向的 偏振片P1后再经凸透镜LB1会聚到探测器D1,对应于选择X基探测。另 一束光经45°方向的偏振片P2后再经凸透镜LB2会聚到探测器D2,对应 于选择Z基探测。探测器DI （D2）主要包