BB84协议及其MATLAB仿真-必威体育精装版文档.pdfVIP

BB84协议及其 MATLAB仿真 近年来， 量子通信成为通信领域研究的热点和前沿。 量子通 信是指利用量子力学基本原理或基于物质量子特性的通信技术， 其最大优点是具有理论上的无条件安全性和高效性 [1] 。BB84协 议是针对单光子量子通信提出的经典协议， 协议实现简单、 技术 较为成熟。在缺少研究条件的情况下，借助于 MATLAB，初学者 可以非常容易的对其进行仿真研究。 1 BB84 协议原理 BB84协议通信可分为 2 个阶段。第一阶段通过量子信道进 行密钥的通信； 第二阶段是在经典信道中进行密钥的协商， 探测 窃听者是否存在，确定最后的密钥 [2] 。具体可分为以下 7 个步 骤 [3] ，前 3 个步骤为第一阶段，后 4 个步骤为第二阶段。 （1）发信者 A 预备随机数列 {ak} 及 {bk} 。收信者 B 预备随 机数列 {ck} 。{ak} 、{bk} 和 {ck} 均随机的取值 0 或 1。k=1，2，…， N。 （2 ）A 向 B 发送量子态 {| φakbk} ，不同 ak、 bk 取值代 表 4 个不同的量子态。 ak 的值表示 A 传送的码值。 bk=0 用正交 归一基 Z 将量子态编码， bk=1 则用基 X 编码。 （3）B 进行同步测量。 B 用{ck} 的取值来决定测量 {| φakbk} 所用的基。若 ck=0 用基 Z 测量， ck=1 则用基 X 测量。 （4 ）B 在收到 A 发出的信号后通过公开信道告知 A。在确知 B 已收到信号后， A 与 B 通过公开信道进行基的筛选。舍去所有 ck ≠bk 的数据，只保留 ck=bk 的数据。经过基筛选后留下的数 据称为筛后数据。 （5）A 与 B 通过公开信道交换部分的筛后数据，检验误码 率（ QBER）的大小。若 QBER超过容许值，表明窃听者 E 存在， 则摒弃该次通信。否则，舍去已公开的用作检验的数据，保留余 下的筛后数据，继续进行步骤（ 6 ）和（ 7 ）。 （6 ）A 和 B 进行数据协调，即通过公开信道进行纠错，使 A 及 B 所拥有的数据高度一致， QBER降到可接受的水平。 （7）A 和 B 通过公开信道，进行密性放大，将窃听者 E 可 能获得的少量信息变为无效。 2 BB84 协议仿真 2.1 BB84 协议中基本元素的 MATLAB描述 量子比特是 BB84协议中最重要的基本元素。一个量子比特 有无数的可能状态，它是两个极化状态 |0 和|1 的任意重叠组 合。极化状态 |0 和 |1 是二维复数列向量， 构成了二维复数空间 的一对正规直交基底。 MATLAB语言描述为“ L0=[1 ； 0] ；L1=[0 ； 1] ；”。在 BB84协议中涉及到 Z 基态和 X 基态共 4 种量子态， 可定义为“ Lfi00=L