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測量基對BB84協(xié)議安全性影響

文檔作者：劉丹裴昌幸權(quán)東曉文檔來源：西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論與關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年10月15日
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第33卷第1期
2011年1月
電了與信息學(xué)報(bào)
Journal of Electronics&amp;amp; Information Technology
、 1．33NO．1
Jan．2011
測量基對BB84協(xié)議安全性影晌
劉 丹 裴昌幸 權(quán)東曉
f西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論與關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安710071)
摘要：該文分析了竊聽者采用不同測量基對經(jīng)典BB84量了密鑰分發(fā)協(xié)議進(jìn)行測量重發(fā)攻擊所能獲得的信息量以
及在接收端造成的比特錯誤概率，得到合法用戶判斷是否存在竊聽重發(fā)攻擊的比特錯誤率卜限低于15％，從而為
合法通信者間的安全通信和對竊聽者的檢測提供了新的判定依據(jù)。
關(guān)鍵詞：量子通信；量子密鑰分發(fā)；測量重發(fā)攻擊
中圖分類號：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：1009—5896(2011)01—0228—03
DOI：10．3724／SP．J．1146．2010．00136
M easurement Bases Impact on the Security of BB84 Protocol
Liu Dan Pei Chang-·xing Quan Dong-xiao
(State Key Lab．of Integrated Services Networks，Xidian Univ．，Xi’an 710071，China)
Abstract：The amount of information and the bit error rate caused by eavesdropper are analyzed while the BB84
quantum key distribution protocol is attacked with intercept／resend attack using different measurement bases．The
bit error rate threshold that legitimate user used to determine intercept／resend eavesdropping attack is under 15％．
and a new standard is provided for secure quantum communications and the detection of eavesdropper．
Key words：Quantum communication；Quantum key distribution；Intercept／resend attack
1 引言
基于測不準(zhǔn)原理和不可克隆原理的無條件安全
性，量子通信吸引了越來越多的注意。自1984年
Bennett和Brassard提出第一個(gè)量子密鑰分配協(xié)
議[1](即BB84協(xié)議)，到目前為止已經(jīng)有好多研究單
位成功地完成了量子密鑰分配的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)， 已經(jīng)能
夠?qū)崿F(xiàn)幾十公里甚至上百公里的量子密鑰分
發(fā)[2-7t，并在其他各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用[8-10]。
竊聽者Eve隨機(jī)地選擇測量基對光子進(jìn)行測
量，然后根據(jù)測量結(jié)果再制備光子發(fā)送給接收方，
這就是簡單的竊?。匕l(fā)竊聽方案I11,12]。此方案會在
接收端造成_。定的錯誤比特概率，所以Alice和Bob
可以通過檢測比特錯誤率來判斷竊聽者的存在，一
般判斷Eve是否存在竊聽重發(fā)的門限值為25％。結(jié)
合量子測量信道的概念分析Eve在不同測量基的竊
聽／重發(fā)攻擊方案下造成的竊聽概率以及可以獲取
的信息量，得出Eve采取B基竊聽時(shí)可以躲避竊聽
檢測并獲得更多的信息量，為防止此攻擊，給出判
2010—02—05收到，2010-05—12改回
國家自然科學(xué)基金(60572147，60672119)~高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智
計(jì)劃(B08038)和國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金(ISN02080002，
ISN090307)資助課題
通信作者：劉丹secret—
ren@sohu．coin
斷存在竊聽重發(fā)攻擊的錯誤比特概率檢測最優(yōu)門限
必須要小于15％，從而為BB84協(xié)議安全通信和對
竊聽者的檢測提供了新的判定依據(jù)。
2 不同測量基竊聽的分析
BB84協(xié)議采用4個(gè)非正交態(tài)作為量子信息態(tài)，
且這4個(gè)態(tài)分屬于兩組共軛基，每組基內(nèi)的兩個(gè)態(tài)
是相互正交的。Alice、Bob、Eve互相獨(dú)立，且測
量基隨機(jī)選擇。Alice根據(jù)共軛編碼基隨機(jī)編碼發(fā)送
光子序列。Bob隨機(jī)選取兩組共軛基中的任一組作
為測量基。如果Bob用對了測量基(概率為1／2)，
則準(zhǔn)確測量的概率為1；如果用錯了測量基，根據(jù)
測不準(zhǔn)原理，它會得到一個(gè)隨機(jī)的結(jié)果，準(zhǔn)確概率
為1／2，因此無Eve竊聽時(shí)Bob得到的量子比特正
確率為1／2×1+1／2×1／2=3／4。Alice和Bob從
他們選擇相同的基得到的結(jié)果中隨機(jī)抽取部分結(jié)果
通過經(jīng)典信道比對，如果比對的錯誤率小于事先設(shè)
定門限值，則認(rèn)為密鑰傳輸過程是安全的。他們?nèi)?
掉用于比對的部分結(jié)果，余下部分作為篩選碼；否
則，則認(rèn)為存在竊聽者，廢棄傳輸?shù)慕Y(jié)果。無Eve
竊聽時(shí)Bob得到的量子比特錯誤概率為0．25，因此
BB84協(xié)議用來判斷是否存在竊聽者的門限值必須
小于0．25。
竊聽者Eve隨機(jī)選取測量基并根據(jù)測量結(jié)果選
第1期 劉丹等：測量基對BB84協(xié)議安全性影響 229
取BB84協(xié)議采用的共軛基進(jìn)行重發(fā)，一般稱為P
基竊聽。設(shè)Eve選取的測量基與協(xié)議中選取的測量
COS (0)
COS。(0一丌／4)
COS (0一丌／2)
COS。( 一3~-／4)
基的夾角為0，就可以得到量子測量信道的傳遞矩
陣【 。1為
COS f0+丌／4)
COS。(0)
COS。(0—7r／4)
COS。(0—7r／2)
假設(shè)Eve以概率E來進(jìn)行竊聽，則其不竊聽概
率為1一￡；根據(jù)前面的結(jié)論Eve不竊聽時(shí)，Bob接
收的量子比特準(zhǔn)確率為(3／4)(1一E)。Eve竊聽時(shí)又
分兩種情況：Eve選對測量基時(shí)，Bob接收的準(zhǔn)確
率-Eve判定正確的概率xN量正確后Bob接收的準(zhǔn)
確率為(3／4)p ；Eve選錯測量基時(shí)，Bob接收的準(zhǔn)
確率=Eve判斷錯誤的概率xBob接收的隨機(jī)結(jié)果準(zhǔn)
確率為(1／2)(1一P )。所以Eve以概率E進(jìn)行竊聽時(shí)
Bob端測量結(jié)果的量子比特正確率為
(1一E)+l +孝(1一 )J￡
= 1-E)+(丟+ ]E： 3一三( 一 。)
其中Eve判定正確的概率如式(1)中對角線所示，為
P。=(1／2)COS (臼)(0≤0≤ 丌／4)。如果Eve存在且
￡：1，ob 得到正確的量子比特概率為3／4—
1／4(1一P。)=3／4一(1／4)(1—1／2 COS ( ))；如果不存在
Eve，￡=0，Bob得到正確量子比特的概率為3／4；
當(dāng)0=0，也就是說Eve采用和Bob相同的測量基，
則Bob最終得到的正確的量子比特概率為5／s，比
無竊聽時(shí)下降了l／8。
篩選后Bob端測量結(jié)果的量子比特正確概率為
l×(1一￡)+(1—1／2×(1一Pc))×E=i／2+COS ( )／4
×￡，其中舍棄了Eve準(zhǔn)確測量但是Bob用錯測量
基的結(jié)果，而Eve選錯測量基但Bob用對測量基時(shí)
光子的狀態(tài)已被破壞，Bob以1／2的概率得到一個(gè)隨
機(jī)的結(jié)果。E：1時(shí)，Bob端的錯誤比特概率為
1／2一(1／4)cos。( )。
那么量子測量引起的平均互信息可以表示為
I(A，B)：ΣkΣk P( )t ( )1g丁 L
J Σp(a )tr(p B )
j=i
式中tr(p B )為測量算符測得P 的概率。計(jì)算此竊聽
條件下的信息量：IAE=lg2+(1／2)[H(0)+H(O一
7r／4) (0≤0≤ 4)，其中H(f1)=COS。fllgcos。
+sin。fllgsin。
Eve也可以采用一組共軛測量基來測量并重
發(fā)，簡稱為B基竊聽。相應(yīng)測量矩陣為
COS。(0+7r／2)
COS。(0+丌／4)
COS (0)
COS。( 一7r／4)
COS。(0+37r／4)
COS。(0+7r／2)
CO8。(0+7r／4)
COS (0)
(1)
p( l )=cos(0-：r／4)
【)c。
c o
(
s 2
一
(0
丌
)
／2)
cos2 (0+ Ir／4 2 (0+
(
7
)
r
COS 。(0 一丌／4) cos (0 ) 1l (一2)
此時(shí)如果Eve存在，且E=1，通過式(2)可以
得到Eve得到正確的量子比特概率為(1／2)(co~。0
+COS (0一丌／4))。篩選后Bob端測量結(jié)果確知的量
子 特 確概室
×c 一s，+[ 一擊(c。s。c ，+c。s ( 一 )]×
= 一 (c。s。c )+cos2( 一 ))×E
￡=1時(shí)， Bob 端的錯誤比特概率為
【c。s ( + 0+cos2( + )。由此得到B基竊
聽條件下的信息量為IAF：lg2+(1／4) ( )+H(O
- ~r／4)】(0≤0≤7r／4)。
通過計(jì)算可以得到不同竊聽條件下Bob端的比
特錯誤率和Eve獲得的信息量分別如圖1和圖2所
刁 。
0(rad)
圖1不同竊聽條件篩選后Bob端錯誤比特概率
皿刪
g
厘
曲
0
當(dāng)
圖2不同竊聽條件信息量分析
230 電 與信息學(xué)報(bào) 第33卷
由圖1可以看 當(dāng)Eve以P基竊聽時(shí)錯誤比特
率均大丁0．25，但是以B基竊聽時(shí)，錯誤比特率均
小于0．25，Eve就可以逃過? 般的竊聽重發(fā)攻擊檢
測； 當(dāng)0=7r／8時(shí)， 即Breidbart 基， 也稱為
Intermediate基， 比特錯誤概率約為0．15，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小
于0．25。因此得到了更緊的竊聽重發(fā)攻擊錯誤比特
率上限，能更好地判斷出BB84協(xié)議通信過程中是
否存在竊聽者。由圖2可以看出，Alice與Eve之間
的平均互信息量在丌／8時(shí)最小，但是此時(shí)造成的錯
誤比特概率也較小，Eve采用B基竊聽獲取的信息
量要大于采用P基竊聽獲取的信息量。由此可以得
出：Eve采用B基竊聽完全有可能躲過竊聽重發(fā)攻
擊檢測，并且獲取更大的信息量。為防止Eve竊聽，
設(shè)定檢驗(yàn)竊聽重發(fā)攻擊的錯誤比特概率門限必須小
于15％，從而為實(shí)際中更好的判斷是否存在竊聽者
提供了依據(jù)。
3 結(jié)論
在量子測量信道概念及信息論的基礎(chǔ)上，分析
了竊聽者使用不同測量基對BB84協(xié)議進(jìn)行竊聽重
發(fā)攻擊時(shí)造成的錯誤比特概率以及能獲取的信息
量，得到以下結(jié)論：f1)當(dāng)Eve采用B基竊聽時(shí)不僅
可以躲過竊聽檢測，而且可以獲取比采用P基竊聽
更多的信息量。f2)為防止這種竊聽，判斷竊聽重發(fā)
攻擊的錯誤比特概率門限必須小于l5％，得到了一
個(gè)更緊的門限值，從而為合法用戶間的BB84協(xié)議
安全通信和竊聽者的檢測提供了新的判定依據(jù)。
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劉丹
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權(quán)東曉
女，1981年生，博士生，研究方向?yàn)榱孔油ㄐ牛?
男，1945年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榱孔油?
信、網(wǎng)絡(luò)測量和通信抗干擾．
女，1980年生，講師，博士生，研究方向?yàn)榱孔油ㄐ牛?

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