26、量子密码密钥分发的实用方面

量子密码密钥分发的实用方面

1. 引言

量子密码学利用量子力学特性来保障通信安全。其核心原理是，在量子系统上对不相容的量进行任何测量，都会不可避免地改变该系统的状态。这意味着，窃听者（Eve）若试图通过测量获取量子信道中的信息，合法用户（Alice和Bob）能够察觉并弃用该密钥。

在实际应用中，量子系统通常是通过光纤传播的单光子（或弱脉冲），密钥可以通过其偏振或相位进行编码。自1989年首次在空气中用偏振光子进行量子密码学实验以来，多个研究团队在光纤中实现了偏振和相位编码方案，传输距离可达30公里。

实验量子密码系统的性能由三个参数描述：传输距离、比特率和错误率。光纤中的损耗因波长而异，在800nm处约为2dB/km，1300nm电信窗口为0.35dB/km，1550nm电信窗口为0.2dB/km。在1300nm波长下，大约30公里后比特率会降低一个数量级。此外，该波长下需使用锗雪崩光电二极管（Ge APD），其检测效率较低，暗计数率较高，从而导致错误率增加。

大多数量子密码系统还面临着持续校准的问题。基于偏振的系统需要保持偏振在数十公里内稳定，而干涉系统则需要保持干涉仪臂长差稳定在波长的一小部分。

2. 量子密码与误差来源

以偏振编码设置为例，介绍量子密码（基于四态协议BB84）的原理。该方案使用四个激光器，其偏振器分别设置在0°、90°、45°和135°。激光器以随机速率发射，Bob随机选择一个45°的分析仪。为防止简单的窃听策略，每个脉冲最多使用1个光子，实际中激光脉冲会被衰减到平均每个脉冲的光子数远低于1。

测量后，Alice和Bob公开比较发射和检测的基（0°/90°或45°/135°）