量子BB84协议在联合旋转噪音信道上的安全性分析

2018-08-03俞陟杰

数字通信世界 2018年7期

俞陟杰

（上海智觅智能科技有限公司，上海 200082）

随着社会经济的迅速发展和社会生产力水平的进一步提升，量子BB84协议在私密通信过程中得到了广泛应用，能够实现对信息窃听的有效预防，提升通信的安全性。与经典密码学不同，量子BB84协议建立在量子力学基础之上，安全性能更加。因此，探索量子BB84协议在噪音环境下应用的安全性并促进其实践应用，具有十分重要的现实意义。

1 量子BB84协议和联合旋转噪音

1.1 BB84协议

量子BB84协议在1984年提出，在协议中包含着两组基：即X基和Z基。Alice作为发送方，会随机生成二进制比特，经过量子信道将比特信息传递给Bob，Bob在接收到比特信息后，会随机选择X基和Z基，将其转换为二进制比特，直至所有二进制比特传递完毕。在经典信道环境下，Bob和Alice对X基和Z基进行测量，并将测量结果作为原始密钥，在原始密钥中选择一部分基的测量结果进行对比分析，若不存在异常的比特，则表明信道的安全性较高，若出现错误的比特值，则表明信道存在窃听的风险[1]。

在一定程度上来说，窃听和环境早孕对信号传输质量造成的不良影响具有一致性，据此可认为，导致量子比特值错误的原因分为噪音干扰和窃听两个方面。在改进量子BB84协议前，量子比特值错误的首要原因应为窃听，这种逻辑分析方法在噪音环境下不具有普遍适用性，为了提升信息传输的安全性，相关人员需要完善窃听评判标准，明确噪音信道的参考比特误码率值W，如果实际比特误码率的值大于W，则表明该通信过程存在窃听行为。通过对量子BB84协议进行改进，有效提升了窃听评判的科学性，能够实现对窃听者的有效预防，确保传输的信息不被窃取[2]。

1.2 联合旋转噪音

为了实现对量子BB84协议安全性的精准分析，应对环境噪音的数值进行合理假设，尽管噪音会随着环境的变化而不断波动，相关人士仍可将噪音的最大值和最小值作为参考依据，对联合旋转噪音信号环境进行推测。基于理想环境下，环境噪音对任何一个的量子比特产生的影响是相同的，不具备明显差异，环境噪音的影响可用如下矩阵表示：

式中，θ数值的设置通常将联合旋转噪音的大小作为参考依据，由于环境噪音通常取噪音的最大值和最小值，因此，θ应为常数。排除量子形态的影响，量子比特误码率是sinθ2，因此，可以通过对量子比特误码率作为检测噪音的有效方法，噪音越大，量子比特误码率越大，二者之间具有明显的正相关关系。

2 量子BB84协议在联合旋转噪音信道上的安全性

2.1 不存在窃听行为

通过对量子BB84协议的相关规定进行深入分析可知，Alice通常以0.25的频率发送二进制量子比特，在联合旋转噪音信道的影响下，测试结果显示，量子比特误码率应为sinθ2，在不存在窃听的情况下，量子比特误码率只需考虑环境噪音的影响，其表达式如下：

2.2 存在窃听行为

通过对量子信息进行计算和分析可知，在窃听开始前，环境噪音会对量子比特的传输过程造成一定影响，噪音对量子比特的影响可视为一次性效应。通过对量子比特值进行计算可知，由于发送者发送的量子比特具有随机性的特征，因此，H（A）的值为1。在经过噪音环境作用后，窃听者能够将拦截的量子比特信息发送至Bob，在此过程中仍不可避免的受到噪音的影响。根据对Bob所受到的噪音影响进行测量可知，在有窃听行为存在的情况下，量子比特误码率的关系式为：

2.3 数据分析

为了提升量子BB84协议的安全性，应着重对窃听行为被检测的概率进行分析。依据对改进后的量子BB84协议进行分析可知，排除一切影响因素，在存在窃听行为的情况下，若比特误码率大于参考比特误码率值，则表明信道环境不具备良好的安全性。当噪音水平低于0.8，量子比特误码率大于等于参考值时，随着误码率的不断增加，窃听行为被检测的概率较高。若ε=0，则表明不存在明显噪音。在此基础上，若量子比特值为0，则表明无窃听行为存在，若量子比特值为0.25，则表明有窃听行为存在。

3 讨论

本次研究结果显示，量子比特误码率与联合旋转噪音水平呈现正相关的发展趋势，随着联合旋转噪音水平的不断增加，量子比特误码率也随之升高，因此，检测信道是否存在窃听行为的灵敏度也显著提升。

窃听行为会引起比特误码率的升高，无窃听行为时，比特误码率的值接近于0。即使窃听人员只实现了对部分量子比特值的窃取，仍具有较高的被发现几率。由于H（A）的值为1，窃听者能够窃取的密钥信息最多仅为四分之一，由于密钥信息不完整，即便被窃取，仍不具备显著的通信意义。一旦检测到窃听信息，发送者Alice和Bob会立即抛弃密钥信息，重新协商密钥，以防止密钥信息被破译。据此可认为，量子BB84协议在联合旋转信道的应用，能够有效提升数据信息传输的安全性。