1、設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議雖然從理論上證明了 QKD方案是一種絕對(duì)安全的量子密鑰分發(fā)方案。但是，由于測(cè)量 設(shè)備和量子信號(hào)源的非完美性，量子密鑰分配系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中并不能保證傳輸信息的絕 對(duì)安全。例如光子探測(cè)器就容易受到時(shí)移攻擊、強(qiáng)光致盲攻擊'等各種類型的攻擊。另 外竊聽者還可以利用量子信號(hào)源的非完美性進(jìn)行攻擊，例如竊聽者可以利用光源的非完美 性進(jìn)行光子數(shù)分流攻擊為了解決上述問題，人們提出了幾種可能的方案，其中就包括 使用誘騙態(tài)進(jìn)行的量子密鑰分發(fā)方案和基于設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）方案。而最 后一種方案有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：不需要掌握QKD設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以通過貝爾不等式 來判斷

2、是否存在竊聽者。由于DI-QKD很難用于實(shí)際，后來，由L。等人乂提出了基于測(cè)量 設(shè)備的無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議（MDLQKD） °該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)十分突出，首先，該協(xié)議有很高的安全性，而且該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)非常容易; 其次，這個(gè)協(xié)議在傳輸距離上相對(duì)于傳統(tǒng)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)也有很大的優(yōu)勢(shì)，即使在MDI- QKD系統(tǒng)中使用普通二極管發(fā)出的激光光源，它的通信距離也幾乎是傳統(tǒng)量子密鑰分發(fā)系 統(tǒng)的兩倍。為了更好的理解基于測(cè)量設(shè)備的無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，在此以該協(xié)議為基礎(chǔ)介紹一 個(gè)很簡(jiǎn)單MDI-QKD通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)與BB84協(xié)議使用相同的四種偏振態(tài)，即為偏振 態(tài)，Alice和Bob都制備這四種偏振態(tài)，并隨

3、機(jī)從四種偏振態(tài)中選擇一種發(fā)送給第三方（或者是EVE）,這里我們無法判斷第三方是否是竊聽者，可以認(rèn)為他是不受信任的。然 后由第三方將從兩者接收到的信息結(jié)合起來并進(jìn)行貝爾態(tài)的測(cè)量，即將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為貝 爾態(tài)。像這種測(cè)量在實(shí)際環(huán)境下都是可以實(shí)現(xiàn)的，而且，Alice和Bob可以應(yīng)用誘騙態(tài)技 術(shù)來分析接收到的多光子的誤碼率。使用了誘騙態(tài)技術(shù)的MDI-QKD偏振編碼方案原理圖如 下圖所示：圖4. 4 MDI-QKD協(xié)議的基本原理圖正如圖中所示，該系統(tǒng)采用弱相干激光脈沖作為光源，發(fā)送方Alice和接收方Bob通 過偏振調(diào)制器對(duì)發(fā)射的弱相干激光脈沖進(jìn)行偏振編碼，隨后，在強(qiáng)度調(diào)制器中制備誘騙態(tài), 然后，光束進(jìn)入

4、一個(gè)分束器中發(fā)生糾纏，最后經(jīng)過偏振分束器中到達(dá)光子探測(cè)器。當(dāng)光子 探測(cè)器和或者探測(cè)器和被觸發(fā)時(shí)標(biāo)志著第三方Charlie測(cè)量得到貝爾態(tài)，而當(dāng)光子探測(cè)器 和或和被觸發(fā)時(shí)第三方Charlie得到貝爾態(tài)，Alice和Bob的裝置對(duì)于竊聽者來說是不可 見的，但是測(cè)量設(shè)備是非可靠的。當(dāng)Alice和Bob將要傳輸?shù)男畔l(fā)送完成之后，第三方通過公共信道宣布他是否接收 到了貝爾態(tài)，并且公布他接收到的貝爾態(tài)，例如一個(gè)簡(jiǎn)單的量子態(tài)。最后，為了保證發(fā)送 的兩人發(fā)送的量子比特的相關(guān)性，Alice和Bob中的一方需要對(duì)自己的信息做一個(gè)比特反 轉(zhuǎn)操作。然而當(dāng)Alice和Bob都選用斜基矢時(shí)并且第三方成功得到貝爾態(tài)時(shí)則不用

5、進(jìn)行此 過程。具體的操作過程如下表：表4. 1 Alice和Bob的量子比特反轉(zhuǎn)操作Alice和Bob輸出輸出斜測(cè)量基比特 反轉(zhuǎn)比特反轉(zhuǎn)直測(cè)量基比特反轉(zhuǎn)-上述偏振編碼的MDI-QKD量子密鑰分發(fā)協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)流程如下：1）發(fā)送方Alice和接收方Bob從上文中的四種光子偏振中任選一個(gè)發(fā)送給Charlie。2）第三方對(duì)Alice和Bob發(fā)送的信息進(jìn)行測(cè)量，并從測(cè)量結(jié)果中合成貝爾態(tài)，如果 測(cè)量后成功得到一個(gè)貝爾態(tài)，則認(rèn)為此次測(cè)量成功，如果沒有得到貝爾態(tài)，認(rèn)為此次測(cè)量 失敗。然后，第三方Charlie將測(cè)量結(jié)果公布。3）發(fā)送方Alice和接收方Bob根據(jù)第三方公布的結(jié)果，挑選出能產(chǎn)生貝爾態(tài)的數(shù)據(jù),

6、并將這些數(shù)據(jù)保留下來。而剩余的數(shù)據(jù)將被拋棄。4）發(fā)送方和接收方通過公共信道對(duì)比他們的測(cè)量基，將基選擇相同的數(shù)據(jù)保留下來, 將基選擇不同的部分拋棄，接著，Alice和Bob中的一方對(duì)數(shù)據(jù)做一個(gè)比特位反轉(zhuǎn)操作， 并將反轉(zhuǎn)后的結(jié)果作為原始密鑰。5）發(fā)送方Alice和接收方Bob重復(fù)上述動(dòng)作直到得到足夠多的密鑰。6）發(fā)送方Alice和接收方Bob從原始密鑰中挑選出一部分進(jìn)行量子誤碼率檢測(cè)，當(dāng) 檢測(cè)結(jié)果超過了量子比特誤碼率門限制時(shí)放棄此次通信。7）如果驗(yàn)證了信道是安全的，發(fā)送方和接收方則對(duì)剩余的原始密鑰實(shí)施糾錯(cuò)與放大 并作為最后的密鑰完成此次密碼控制通信過程。QKD協(xié)議在應(yīng)用中與長距離量子通信面臨的挑戰(zhàn)

7、主要是噪音和損失的影響。有許多研 究人員都在著手解決這個(gè)問題。但是，我們還經(jīng)常碰到另一個(gè)問題，那就是系統(tǒng)不同部分 之間的參考框架之間的匹配問題。在理論工作中經(jīng)常假設(shè)已知，而參考框架的匹配不僅僅 是距離問題。進(jìn)一步來說，當(dāng)在室外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，問題往往變得更加復(fù)雜，而且往往會(huì)影 響量子密鑰分配協(xié)議的使用。例如，在基于光纖的通信系統(tǒng)中，溫度的浮動(dòng)會(huì)引起偏振角 度的變化，這使光子的偏振狀態(tài)很難維持在匹配狀態(tài)；在相位編碼中，干涉儀的相位必須 被鎖定，而且相位應(yīng)該只受當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響而不受通信信道的影響，這在長距離通信中也 是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的問題；在基于衛(wèi)星的量子通信系統(tǒng)中，當(dāng)給定一個(gè)快速移動(dòng)的衛(wèi)星并 在特定的時(shí)間段完成該協(xié)議時(shí)，在衛(wèi)星與地面基站之間維持一個(gè)好的框架匹配狀態(tài)也是非 常困難的，因此，需要一種新的量子通信協(xié)議，在該協(xié)議下不需要再依靠共同的參考框架。一個(gè) 很好的解決方法就是使用消相干自由子空間，但是，這樣就相當(dāng)于使用了多維量子通信系 統(tǒng)，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中面臨著巨大挑戰(zhàn)。但是，實(shí)際上也證明了在某些只與量子比特 有關(guān)的簡(jiǎn)單量子通信系統(tǒng)中這種方法確實(shí)能不受共同的參考系的影響。而且，這個(gè)方法在 無關(guān)量子通信中受到了重視：尤其是在實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了即使通信雙方之間沒有共用同一個(gè) 測(cè)量基也可以確保貝爾