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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

随着互联网的快速发展和广泛应用，多媒体数据信息（如视频）在公共通道传输的安全性越来越受到人们的重视，而通道的开放性使得这些数据在传输过程中很容易受到各种攻击。因此更安全更有效的加密技术在业界受到更多的关注。经典密码学曾经是保护信息、防止破解的有效手段，但是随着量子计算机与量子技术的发展，由于量子具有叠加性，在相同条件下每增加一个比特，传统计算机多一个状态，但是量子计算机却增大一倍状态，大大提升量子计算机计算性能的同时这也使得在量子计算机面前，任何基于经典密码学的加密方案都是都不是那么坚不可摧。但相比较传统加密方式，量子加密不依靠计算的复杂度而是基于量子的“独特”特性，使得量子密码具有两个非常强力且有效的特性：绝对安全性和防止窃听性[1]。绝对安全性即在窃听者即使具有无限的计算资源，窃听者也无法破解量子密码；防止窃听性即当窃听者在窃听量子密码传输时，通讯双方可依据海森堡的测不准定律与不可克隆定律[2]，及时感应到量子扰动，从而发现窃听者的窃听行为最终停止通信防止信息的泄露。

三年前，我国乃至全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉中心成功升天。量子科学实验卫星工程的首席科学家潘建伟院士这样说道：“量子通信是迄今为止唯一被严格证明为无条件安全的通信方式，量子的不可分割、不可克隆，所以能保证加密内容不被破译，可以从根本上保证信息安全，保护全人类的隐私。”本课题研究的基于四量子态的视频加密板卡设计正是秉持着保护公众信息安全，防止隐私泄露的理念，采用基于四个量子态的 bb84 协议的量子密钥分配，利用量子力学测量塌缩理论、海森堡测不准原理和量子不可克隆定律在fpga平台上实现对视频信息的加密。通过这种加密算法，使信息在理论上具有绝对安全性，并可以检测到信息是否被第三方窃取，具有一定的现实意义。

国内外研究现状

量子通信包含量子加密是近三十年来快速发展出来的全新技术，正是因为量子加密通信的绝对安全性与防止窃听性等诸多优点，不光吸引了许多专家学者加入这一研究领域，同时也吸引起许多国家政府与军队部门的关注。

2. 研究的基本内容

量子密钥分配(quantum key distribution,qkd)是非常值得我们去研究的，相对于经典密码学，qkd可以快速且安全的为其生成大量随机的密钥，有效的解决传统加密手段“一次一密码”中密钥源难获得的问题。量子加密手段与经典密码学的结合同样被证明是绝对安全的。要实现在fpga进行qkd那么必须要研究以下几个方面：量子信道传输、生成随机函数、数据筛选、数据协调、密性增强。

(1)量子信道传输

bb84协议是第一个qkd协议，如图1根据协议在发送方alice与接收方bob存在两种传输信道：量子信道与传统信道(公开信道)。在fpga中虽不存在量子信道，但是可以通过模拟量子信道特性，声明一个独立于传统信道的特殊信道作为量子信道，量子信道中只能传输量子比特。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

系统实施方案如图3所示，主要包括量子密钥分配系统与视频图像处理系统三个部分。

量子密钥分配系统包括：(1)随机数发生器；(2)alice算法模块；(3)bob算法模块。其中alice与bob之前存在量子信道与传统公开信道，两信道之间相互隔离互不干扰。alice与bob集成所有关于量子加密算法，包括数据筛选、二分法数据协调、hash矩阵密性增强。一个基于梅森旋转算法的随机数发生器为alice与bob提供所需要的随机数。bob最后将密性增强压缩后的密钥传给图像加密模块。

4. 参考文献

[1] 曾贵华.量子密码学[m].北京:科学出版社,2006.

[2] 权东晓.量子通信协议研究[m].西安:西安电子科技大学,2009.

[3] s.wiesner.conjugate coding[j].acm sigact news,1983,15(1):78-88.