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TWI605701B - 透過脈衝位置調變之量子金鑰分送技術 - Google Patents

透過脈衝位置調變之量子金鑰分送技術 Download PDF

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TWI605701B
TWI605701B TW104122360A TW104122360A TWI605701B TW I605701 B TWI605701 B TW I605701B TW 104122360 A TW104122360 A TW 104122360A TW 104122360 A TW104122360 A TW 104122360A TW I605701 B TWI605701 B TW I605701B
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Description

透過脈衝位置調變之量子金鑰分送技術 發明領域
本發明係有關於透過脈衝位置調變之量子金鑰分送技術。
發明背景
最近提出用以基於脈衝位置調變取代極化而以量子狀態實行量子加密協定BB92。嘗試這樣做迄今已有缺陷；因為它們不是完全地實行該BB92協定，它們是很容易受到竊聽攻擊。一些此等方法係詳細地說明於光學快報1533，30(2005)，拿撒勒提(Nazarathy)發佈之“藉由脈衝位置調變經由一光纖通道之量子金鑰分送”一文中。
其所需要的是，基於脈衝位置調變而具有量子狀態之一量子加密協定BB92，其針對這些議題，以及其他議題將在下面討論成為明顯。
發明概要
依據本發明之一實施例，係特地提出一種系統，其包括：一量子通道；一公眾通道；一第一節點，其連接到 該公眾通道，其中該第一節點包含連接到該量子通道之一脈衝位置調變編碼器；以及一第二節點，其連接到該公眾通道，其中該第二節點包含連接到該量子通道之一脈衝位置調變解碼器；其中該脈衝位置調變編碼器編碼量子狀態|0〉和|1〉，並且透過該量子通道而發送該等編碼量子狀態至該第二節點；並且其中該脈衝位置調變編碼器編碼量子狀態|1〉作為。
100‧‧‧系統
102‧‧‧愛麗絲(Alice)
104‧‧‧鮑伯(Bob)
106‧‧‧量子通道
108‧‧‧公眾通道
110‧‧‧伊芙(Eve)
120‧‧‧時間筐
122‧‧‧時間筐
140‧‧‧啟始分光器
142‧‧‧鏡片
142‧‧‧鏡片
144‧‧‧鏡片
144‧‧‧鏡片
146‧‧‧檢測器
140‧‧‧分光器
200-218‧‧‧BB92協定
實施例經由範例而例示於附圖中，並且不是作為限制，其中相同參考號碼是關聯於相似元件。
圖1例示依據本發明一論點之量子金鑰分送系統；圖2例示脈衝位置調變編碼；圖3例示自一第一方分送一量子金鑰至一第二方之方法；圖4例示量子金鑰編碼；以及圖5例示量子金鑰解碼。
較佳實施例之詳細說明
下面之本發明實施範例將藉由參考圖形以及所例示之特定範例而詳細地說明。這些範例將充分詳細地說明以使得那些熟習本技術者能夠實踐本發明，並且供使用以例示本發明可以如何地應用至各種用途或實施例上。本發明之其他實施例存在而且是在本發明之範疇內，並且本 發明可以有邏輯、機械、電氣、以及其他的改變而不脫離本發明之主題或範疇。此處說明本發明的各種實施例之特點或限制，但卻是它們所包含之實施範例之主要者，其不限制本發明，且關於本發明之任何參考，其之元件、操作、與應用不限制本發明，而是僅供使用以界定這些實施範例。下面的詳細說明，因此，不是用以限制本發明之範疇，其僅是藉由所附加申請專利範圍所界定。
一種用於透過脈衝位置調變之量子金鑰分送(QKD)的系統100係展示於圖1中。在展示於圖1之實施範例中，量子金鑰分送允許有二方，愛麗絲(Alice)102和鮑伯(Bob)104，以透過一量子通道106而分享一共同秘密金鑰。該分享之秘密金鑰接著被使用以加密透過公眾通道108在愛麗絲(Alice)和鮑伯(Bob)之間轉移的資料。
量子金鑰分送，當適當地完成時，保證分送金鑰之保密。如果一竊聽者(伊芙(Eve)110)試圖去判定該金鑰，她將引出金鑰分送中之傳輸錯誤並且將被檢測到；該分享秘密金鑰接著可能在其被使用以發送折衷資料之前被忽略。另一方面，如果沒有竊聽被檢測到，該分送金鑰之保密受保證。
位元0和1之脈衝位置調變編碼係例示於圖2中。在圖2之實施範例中，在長度2△之一現行時間窗口中的脈衝位置判定位元：在時間筐2中之位置(圖2中之筐122)對應至位元0，並且在時間筐1中之位置(圖2中之筐120)對應至位元1。現行窗口是分隔一固定等待時間區間τ。
如於圖3之展示，依據本發明之BB92協定是如下所述：愛麗絲(Alice)在200編碼量子狀態|0〉和|1〉並且在202傳送它們給鮑伯(Bob)。量子狀態|0〉和|1〉不是正交：〈1|0〉≠0。量子狀態|0〉是，一個零如何被編碼作為一量子狀態(如下面之詳述)。量子狀態|1〉是，一個1如何被編碼作為一量子狀態(如下面之詳述)。啟始地，愛麗絲(Alice)傳送|0〉和|1〉的一隨機字串給鮑伯(Bob)。在204，鮑伯(Bob)藉由隨機應用投射於|0〉⊥和|1〉⊥上而量測他所接收的狀態：
在206，鮑伯(Bob)公開地宣佈，於其中他得到一正性結果(=1)之那些量測(投射)的指數。愛麗絲(Alice)私密地建構子字串，其包含她傳送給鮑伯(Bob)而具有如鮑伯(Bob)剛好公開地宣佈的那些相同指數之位元。在208，愛麗絲(Alice)揭露該子字串之一部份。
鮑伯(Bob)私密地建構對於他所宣佈之各指數i的字串， 愛麗絲(Alice)之子字串以及鮑伯(Bob)建構之字串在無雜訊及/或竊聽時必須是相同的。公開之討論需遵循標準BB84協定。亦即，原始共同位元之一部份是公開地揭露在208和210，並且在214檢查以確認它們是相同的。如果它們不是相同的，竊聽在216結束並且摒棄整個過程。如果它們 是相同的，則在218，其餘未揭露之位元被使用作為分享秘密金鑰。
在新的PPM協定中，狀態|0〉係編碼為藉由|0〉≡|t2〉表示之狀態“脈衝是在第二筐中”，並且狀態|1〉係編碼為藉由表示之狀態“脈衝是在第一和第二筐之同調疊加中”。一脈衝位置調變編碼器範例是展示於圖4中。在一些實施例中，新的協定依賴在愛麗絲(Alice)和鮑伯(Bob)之間的精確時脈同步化作為二金鑰需求之實行之部份。
第一金鑰需求是狀態之有效構造：|0〉≡|t 2〉和
狀態|0〉之構造是相同如傳統的PPM狀態。但是，因為如上述，，疊加狀態|1〉之構造是更複雜的。用以編碼之一脈衝位置調變編碼器展示於圖4中。在展示於圖4中之範例中，簡單光學元件係使用以發送非傳統的同調疊加狀態。圖解地，如於圖4之展示，這些簡單光學元件包含一啟始分光器140以及鏡片142(以將一半光束延遲△)。在此一實施例中，該等分切之光束在末端組合進入輸出通道144。
第二金鑰需求是投射運算器和之構造。觀察量測必須受保證以當輸入狀態是|0〉時，不被按鍵，並且當輸入狀態是|1〉時，則以概率1-|〈1|0〉|2按鍵。相反地，量測必須受保證當輸入狀態是|1〉時不按鍵，並且當輸入狀態是|0〉時，則以概率1-|〈1|0〉|2 按鍵。這些量測運算器之一實行範例是例示在圖5之脈衝位置調變解碼器中。
在展示於圖5中之實施範例中，一鏡片144接收由愛麗絲(Alice)102所傳送的量子狀態，並且在時間筐1中反射該等量子狀態，而在時間筐2中，讓該信號通過。鏡片142反射該等反射的量子狀態，並且在藉由檢測器146檢測之前，該等延遲反射之量子狀態藉由分光器140與量子狀態之一延遲筐2集合相組合。於一實施例中，檢測器146僅檢測向下移動至它的光子。
於一實施範例中，量測必須保證不在輸入狀態|0〉時按鍵，並且在輸入狀態|1〉時以概率1/2按鍵選擇。如於圖5之展示，實行是很容易：只要在時間筐1中做一檢測。
同樣地，量測必須保證不在輸入狀態|1〉時按鍵，並且在輸入狀態|0〉時以概率1/2按鍵選擇。實行是很難的。於一實施例中，在啟始鏡片安置(只在時間筐1中)，以及控制相位和時間延遲時需要精確的計時以及同步化以確認檢測器從不離開輸入狀態|1〉。
如上所述地，在愛麗絲(Alice)102和鮑伯(Bob)104之間精確的時脈同步化是需要的。於一實施範例中，這可達成，至少部分地，透過一超級穩定頻率參考，例如，說明於建檔於2012年2月20日之Wilkerson等人的美國專利申請第13/400348號案中，其之說明將配合此處作為參考。遠距超級穩定時脈的同步化可以透過一些方法被 達成，例如，使用藉由光纖或自由空間傳輸之光學雙向時間傳遞的愛因斯坦同步化協定。
在一些實施例中，說明於美國專利申請第13/400348號案中之超級穩定頻率參考產生系統，包含一腔室穩定參考雷射，其包含鎖定至一穩定腔室之一雷射源。在一些這樣的實施例中，該系統也包含一銣(Rb)胞元，其可以為腔室穩定參考雷射之一穩定雷射輸出所盤查以導致在銣胞元內之至少一雙光子銣轉換(至一較高狀態)。一檢測器檢測在該銣胞元內之自較高狀態銣轉換之自發蛻變而產生的螢光。其他蒸汽胞元參考同樣也可以被使用。
在蒸汽胞元實施例中，檢測器以螢光之波長提供一檢測器輸出以鎖定腔室穩定參考雷射以產生一穩定雷射輸出。在一些這樣的實施例中，該雷射來源是鎖定至穩定腔室以及鎖定至銣胞元內之銣轉換兩者。一腔室穩定雷射以及關聯於銣中之778nm雙光子轉換飛秒(femtosecond)頻率浪峰之組合作為超低相位雜訊光學和微波頻率之來源可以被使用，例如，作為小型系統組態中之標準。
如在專利申請中所述，這樣的系統是有用於需要同步化之系統中；它們也是適合供使用於，例如，雷達系統、通訊系統、信號-收集系統以及艱困之EMI環境中。
此處之說明和圖形充分地例示特定實施例以使得那些熟習本技術者能夠實踐它們。其他實施例也可以包含結構、邏輯、電氣、處理程序、以及其他改變。一些實 施例之部份和特點可以包含於，或替代其他實施例的那些對應者。於申請專利範圍中所提出之實施例包含那些申請專利範圍之所有可用的等效者。
在上面所說明者是用於量子金鑰分送之新的系統和方法。所說明之系統和方法完整地實行BB92協定，並且因此其具有如標準極化基礎QKD協定BB84之絕對無條件的安全性質。於一實施例中，一新的編碼一|1〉之方法簡化量子金鑰編碼器之構造。
實施例係可以一硬體、靭體以及軟體或其組合而實行。實施例也可以作為儲存於一電腦可讀取儲存裝置上之指令而實行，該等指令可以藉由至少一處理器而讀取和執行以進行此處說明之操作。一電腦可讀取儲存裝置可以包含任何非暫態機構，其用以儲存藉由一機器(例如，一電腦)而可讀取之形式的資訊。例如，一電腦可讀取儲存裝置可以包含唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、磁碟儲存媒體、光學儲存媒體、快閃記憶體裝置、以及其他儲存裝置和媒體。在一些實施例中，系統可以包含一個或多個處理器並且係可以藉由儲存於一電腦可讀取儲存裝置上之指令而組態。
100‧‧‧系統
102‧‧‧愛麗絲(Alice)
104‧‧‧鮑伯(Bob)
106‧‧‧量子通道
108‧‧‧公眾通道
110‧‧‧伊芙(Eve)

Claims (12)

  1. 一種用於分送一量子金鑰之系統，其包括：一量子通道；一公眾通道；一第一節點，其連接到該公眾通道，其中該第一節點包含連接到該量子通道之一脈衝位置調變編碼器；以及一第二節點，其連接到該公眾通道，其中該第二節點包含連接到該量子通道之一脈衝位置調變解碼器；其中該脈衝位置調變編碼器組配來執行：編碼一量子狀態|0〉，其係藉由產生發生於一第一時間筐中的一第一光脈衝及發送該第一光脈衝；編碼一量子狀態|1〉，其係藉由產生發生於該第一時間筐中的該第一光脈衝、產生發生於一第二時間筐中的一第二光脈衝、及將該第一光脈衝與該第二光脈衝一起發送為具有由該第一時間筐及該第二時間筐的一時間區隔所定義的一精確時間區隔之一擬光脈衝；以及透過該量子通道而發送該等編碼量子狀態|0〉及|1〉至該第二節點；其中該脈衝位置調變編碼器包含一分光器與三個鏡體，其中該等三個鏡體被置放來藉由該第一時間筐及該第二時間筐的該時間區隔以延遲來自該分光器之光 束。
  2. 如請求項1之系統，其中該第一和該第二節點係透過藉由盤查具有腔室穩定參考雷射之穩定雷射輸出的銣(Rb)胞元所形成之分別參考信號而同步化。
  3. 如請求項1之系統，其中該脈衝位置調變解碼器包含一分光器與三個鏡體，其中該等三個鏡體之一者僅在該第一時間筐的期間反射光線。
  4. 如請求項1之系統，其中該第二節點從接收自該第一節點的該等量子狀態|0〉和|1〉而判定一共用秘密金鑰，並且使用該共用秘密金鑰以加密在該公眾通道上轉移之資料。
  5. 如請求項4之系統，其中該第二節點以接收自該第一節點的該等量子狀態|0〉和|1〉之一函數檢測竊聽。
  6. 一種脈衝位置調變編碼器，其組配來執行：編碼一量子狀態|0〉，其係藉由產生發生於一第一時間筐中的一第一光脈衝及發送該第一光脈衝；編碼一量子狀態|1〉，其係藉由產生發生於該第一時間筐中的該第一光脈衝、產生發生於一第二時間筐中的一第二光脈衝、及將該第一光脈衝與該第二光脈衝一起發送為具有由該第一時間筐及該第二時間筐的一時間區隔所定義的一精確時間區隔之一擬光脈衝；以及經由一量子通道介面而發送出該等編碼量子狀態|0〉及|1〉； 其中該脈衝位置調變編碼器包含一分光器與三個鏡體，其中該等三個鏡體被置放來藉由該第一時間筐及該第二時間筐的該時間區隔以延遲來自該分光器之光束。
  7. 如請求項6之編碼器，其中該脈衝位置調變編碼器係透過藉由盤查具有腔室穩定參考雷射之穩定雷射輸出的銣(Rb)胞元所形成之分別參考信號而與一脈衝位置調變解碼器同步化。
  8. 一種脈衝位置調變解碼器，其組配來執行：解碼經由一量子通道介面所接收的量子狀態|0〉和|1〉；解碼該量子狀態|0〉，其係藉由接收發生於一第一時間筐中之一第一光脈衝；以及解碼該量子狀態|1〉，其係藉由接收發生於該第一時間筐中之一第一光脈衝以及發生於一第二時間筐中之一第二光脈衝，該第一光脈衝與該第二光脈衝一起形成具有由該第一時間筐及該第二時間筐的一時間區隔所定義的一精確時間區隔之一擬光脈衝；其中該脈衝位置調變解碼器包含一分光器與三個鏡體，其中該等三個鏡體之一者僅在該第一時間筐的期間反射光線。
  9. 如請求項8之解碼器，其中該脈衝位置調變解碼器係透過藉由盤查具有腔室穩定參考雷射之穩定雷射輸出的 銣(Rb)胞元所形成之分別參考信號而與一脈衝位置調變編碼器同步化。
  10. 一種自一第一方分送一量子金鑰至一第二方的方法，該方法包括下列步驟：編碼一量子狀態|0〉，其係藉由產生發生在一第一時間筐之一第一光脈衝及發送該第一光脈衝；編碼一量子狀態|1〉，其係藉由產生發生在該第一時間筐之該第一光脈衝、產生發生在一第二時間筐之一第二光脈衝、及將該第一光脈衝與該第二光脈衝一起發送為具有由該第一時間筐及該第二時間筐的一時間區隔所定義的一精確時間區隔之一擬光脈衝；自該第一方將量子狀態|0〉和|1〉之一隨機字串發送至該第二方；藉由該第二方而量測該等量子狀態，其中該量測包含應用投射於量子狀態|0〉和|1〉之隨機字串上；公開地宣佈該等投射；藉由該第一方，私密地建構一子字串，其中該子字串包含於該等量子狀態的隨機字串中所傳送之具有與該等投射中之指數相匹配的指數之位元；藉由該第二方，私密地建構一字串，其中該字串是該等投射之一函數；公開地揭露該子字串之一部份；公開地揭露該字串之一部份；比較該子字串之該揭露部份與該字串之該揭露部 份；如果該子字串之該揭露部份是相同於該字串之該揭露部份，則使用該字串和該子字串之其餘未揭露的位元作為一共用秘密金鑰；以及如果該子字串之該揭露部份是不相同於該字串之該揭露部份，則註明竊聽。
  11. 如請求項10之方法，其中該第一和該第二方透過藉由盤查具有腔室穩定參考雷射之穩定雷射輸出的銣(Rb)胞元所形成之分別參考信號而同步化。
  12. 一種具有指令在其上之非暫態電腦可讀取媒體，其中該等指令，當於一電腦中執行時，將產生用以執行自一第一方分送一量子金鑰至一第二方之方法的一系統，該方法包括下列步驟：編碼一量子狀態|0〉，其係藉由產生發生在一第一時間筐中的一第一光脈衝及發送該第一光脈衝；編碼一量子狀態|1〉，其係藉由產生發生於該第一時間筐中的該第一光脈衝、產生發生於一第二時間筐中的一第二光脈衝、及將該第一光脈衝與該第二光脈衝一起發送為具有由該第一時間筐及該第二時間筐的一時間區隔所定義的一精確時間區隔之一擬光脈衝；自該第一方將量子狀態|0〉和|1〉之一隨機字串發送至該第二方；藉由該第二方而量測該等量子狀態，其中該量測包含應用投射於該量子狀態|0〉和|1〉之隨機字串上； 公開地宣佈該等投射；藉由該第一方，私密地建構一子字串，其中該子字串包含於該等量子狀態的隨機字串中所傳送之具有與該等投射中之指數相匹配的指數之位元；藉由該第二方，私密地建構一字串，其中該字串是該等投射之一函數；公開地揭露該子字串之一部份；公開地揭露該字串之一部份；比較該子字串之該揭露部份與該字串之該揭露部份；如果該子字串之該揭露部份是相同於該字串之該揭露部份，則使用該字串和該子字串之其餘未揭露的位元作為一共用秘密金鑰；以及如果該子字串之該揭露部份是不相同於該字串之該揭露部份，則註明竊聽。
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