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解释 BB84 协议

背景

这周密码学课程,来自 BUPT 的高飞老师讲了一下 qkd 里的 BB84 协议,老师讲得很好,我也想记录一下这个协议的流程和方法。我不是这方面的专业人士,如果有什么问题请指出。

背景知识

QKD(Quantum Key Distribution)目的是让通信双方获得同一个密钥,它需要同时需要量子信道和经典信道。其中经典信道被认为是可信的,它可以被监听,但不能被中间人攻击。

在 BB84(Charles H. Bennett and Gilles Brassard (1984))协议中,传输的是一个光子,它具有如下的特性:

可以用两个基去测量光子:➕️和✖️️,然后光子有四个偏振角度,分别是 ⬆️️ ⬇️️ ↘️️ ↗️️。定义一个二进制位和偏振角度的对应关系如下:

0 1 0 1
➕️ ➕️ ✖️️ ✖️️
偏振角度 ⬆️️ ⬇️️ ↗️️ ↘️️

对于一个未知光子,可以用两种基进行测量,测量的结果:

偏振角度 ⬆️️ ⬇️️ ↗️️ ↘️️
用➕️测量 0 1 0/1 0/1
用✖️️测量 0/1 0/1 0 1

这里的 0/1 表示有 50% 概率测得 0,有 50% 概率测得 1。

协议流程

假如 Alice 要和 Bob 进行 BB84 协议。那么,Alice 首先随机生成一段二进制序列,并随机生成一个基的序列,以 Wikipedia 上的例子为例:

Alice's random bit 0 1 1 0 1 0 0 1
Alice's random sending basis ➕️ ➕️ ✖️️ ➕️ ✖️️ ✖️️ ✖️️ ➕️
Photon polarization Alice sends ⬆️️ ➡️️ ↘️️ ⬆️️ ↘️️ ↗️️ ↗️️ ➡️️
Bob 生成随机的基 ➕️ ✖️️ ✖️️ ✖️️ ➕️ ✖️️ ➕️ ➕️
Photon polarization Bob measures ⬆️️ ↗️️ ↘️️ ↗️️ ➡️️ ↗️️ ➡️️ ➡️️
Bob 认为的二进制信息 0 0 1 0 1 0 1 1
通过经典信道交换信息
Shared secret key 0 丢弃 1 丢弃 丢弃 0 丢弃 1

第一步,Alice 生成随机的二进制和随机的基,按照前面谈到过的对应关系,生成带有偏振角度的光子发给 Bob。

第二步,由于 Bob 只收到光子,不知道 Alice 选取的基底信息,而且只能用一个基测量一次,所以 Bob 随机从两种基选择一个来测量,得到了一串二进制。这些二进制里,如果 Alice 和 Bob 选取了同一个基,那么这一位的数据一定是对的;如果选取了不同的基,那么这一位有一半的可能是对的。总的来说,期望有四分之一的位是不正确的。

第三步,Alice 和 Bob 在 可信 的经典信道中把双方的基底进行对比,把基底相等的部分对应的二进制位提取出来,作为最终使用的密钥。

第四步,Alice 和 Bob 在最终使用的密钥中抽取若干位,然后对比,如果这些位都一致,则这个密码是有效的。如果错误率太高,那么很大概率是被攻击了。

安全性

协议的安全性,主要是靠量子的特性:未知量子态不可克隆、对未知量子态的测量可能会改变量子态。

假如在量子信道中间有一个 Eve 想要做坏事,它如果在中间观测了一下光子,它就会影响光子的量子态,导致 Bob 的密钥和 Alice 密钥会不一致,从而在协议的第四步被发现。并且,因为 Eve 并不知道 Alice 所使用的基底(假设 Eve 只能控制量子信道、不能控制经典信道),所以得到的二进制数据也有四分之一是不正确的。即使 Eve 尝试截获并且重发光子给 Bob,Bob 得到的密钥仍然有很高的错误率。通过这个错误率,就可以判断是否被攻击了。

另外,它的安全性还依赖以下几个方面:

  1. Eve 不能控制 Alice 和 Bob 的量子密码设备
  2. Alice 和 Bob 的随机数生成器需要足够安全
  3. 经典信道是可信的

引用

Quantum key distribution - Wikipedia

最近比较忙

最近一直没有更新我的 CS140e 系列文章,是因为最近一直忙于各种事情。等有空了再更新吧。

偶遇清华吴文虎教授

今天百团大战,正准备收摊的时候,天空工场那边来了一位长者,在和他们聊着什么。我很感兴趣,就上去听。老人大概已有八十高龄(后来查,是 1936 年生),但依然精神矍铄,首先和我们讲,作为工科的学生,一定在理解原理的基础上,多多去实践。他举了他自己的例子,他首先在电机系学习,后来,计算机系成立(当时还是自动控制系),他转到了计算机系,重新学起了计算机,说计算机编程学起来并没有什么难的。当年,苹果公司送过来了中国第一台 Apple-2,他们就把电脑拆了下来研究原理,又装上去继续工作。后来,他就在计算机系任教,教的正是《程序设计基础》这门课程。他十分重视实践,在第一年开课的时候就说,最关键的就是实践,安排了一些编程实验课,期中期末就是大作业。一开始有一些同学不重视实践,结果期末就挂科了。后来同学们就明白了实践的重要性,实践起来发现并没有那么难,最后就说,“吴老师,你说得对”。他又谈到了他的体育,他当年是北京长跑代表队的集训队选手,擅长一千五百米项目,他三千米只需要九分钟就能跑完。我们都感到自愧不如。我们说,现在的《程序设计基础》是徐明星老师在教,他说徐明星是他的博士生,邬晓钧也是他的博士生,他另外还有一个高徒我记不清楚了。他还是 IOI 中国队的前教练,听到我们有过一些 OI 基础,表示了赞许和鼓励。还有一些细节记不清楚了,记起来了再补充吧。

用 CPUID 获取评测机器的 CPU

用 CPUID 检测各大 OJ 测评机所用的 CPU(以及日常黑 BZOJ)的启发,我决定去测试一下徐老师自己写的 OJ(名为 Tyche)所跑的机器是什么 CPU。于是我改造一下代码,用以下代码测评:

#include <stdint.h>
#include <iostream>
#include <time.h>
#include <cpuid.h>
#include <sys/time.h>
static void cpuid(uint32_t func, uint32_t sub, uint32_t data[4]) {
    __cpuid_count(func, sub, data[0], data[1], data[2], data[3]);
}
int main() {
    uint32_t data[4];
    char str[48];
    for(int i = 0; i < 3; ++i) {
        cpuid(0x80000002 + i, 0, data);
        for(int j = 0; j < 4; ++j)
            reinterpret_cast<uint32_t*>(str)[i * 4 + j] = data[j];
    }

    struct timeval stop, start;
    gettimeofday(&start, NULL);
    while(1) {
        gettimeofday(&stop, NULL);
        if(stop.tv_usec - start.tv_usec > (str[##EDITME##] - 32) * 10000)
            break;
    }
}

经过测试,usleep()clock()都被封杀,但是gettimeofday()存活了下来。然后我就不断地C-a上面的###EDITME###,根据评测出来的时间推算出字符串,然后得到以下结果:

0 ~ 7 : PADDING
8 73 I
9 110 n
10 116 t
11 101 e
12 108 l
13 40 (
14 82 R
15 41 )
16 32 SPC
17 67 C
18 111 o
19 114 r
20 101 e
21 40 (
22 84 T
23 77 M
24 41 )
25 32 SPC
26 105 i
27 51 3
28 45 -
29 50 2
30 49 1
31 50 2
32 48 0
33 32 SPC
34 67 C
35 80 P
36 85 U
37 32 SPC
38 64 @
39 32 SPC
40 51 3
41 46 .
42 51 3
43 48 0
44 71 G
45 72 H
46 122 z

连起来就是这个 CPU

Intel(R) Core(TM) i3-2120 CPU @ 3.30GHz

相比之下,还是比 BZOJ 好哈哈哈(又黑 BZOJ)。后来有大神在群里建议,可以用字符串比较的方式,对了就让题目 AC,不对就 WA。这个方法更加适合手里已经知道了一些常见 CPUID 的返回字符串,这里就是这样。

一个代替 Pulse Secure 客户端的工具

清华的校外 VPN 服务使用的是 Pulse Secure,所以在外网我们需要在客户端上安装 Pulse Secure 才能使用内网的 info 和网络学堂等网站。但是 Pulse Secure 一是非自由软件二界面难看,所以我找到了一个代替它的工具:OpenConnect.

安装后,输入以下命令:

sudo openconnect --user 你的学号 sslvpn.tsinghua.edu.cn --juniper --reconnect-timeout 60 --servercert sha256:398c6bccf414f7d71b6dc8d59b8e3b16f6d410f305aed7e30ce911c3a4064b31

然后输入你的 info 密码即可。

一个搞笑的伸展树的 Wiki

光哲同学在群里发了这个链接,特别搞笑,特此分享: 伸展树 - 百度百科

伸展树(Spaly Tree,事实上在国内 IO 界常常被称作 Tajarn 发明的 Spaly Tree,与此同理的还有 Terap),也叫分裂树,是一种二叉排序树,它能在 O(n log n) 内完成插入、查找和删除操作。它由 Daniel Sleator 和 Robert Tajarn 发现,后者对其进行了改造。它的优势可以不断伸展枝干(一个月 2~3 次),从而使树冠散开,提高光合作用效率。木材坚硬,是重要的经济类乔木。与其他植物不同的是,伸展树可以进行出芽生殖,繁殖速度极快。

回顾昨天的酒井知识竞赛

昨天晚上,我作为蒟蒻组的一员在三教 2102 参加了酒井知识竞赛,并因此鸽掉了 TUNA 和 Lab mU 的迎新会 hhh,不过运气好拿到了二等奖的好成绩,获得 Paperang 便携打印机一台。中间遇到了好一些网络方面的知识,这对于没有记忆 OSI 模型的我无疑有巨大的难度。下面是几道比较有印象的题目:

  1. 以下哪个不是编程语言? A. J B. L C. R D. K 这题不难,R 肯定对,J 见过,K 略微有印象,选 B
  2. IPv6 链路层地址解析的协议是? A. ARP B. Neighbour Solicitation C. Neighbour Advertisement D. Neighbour Discovery 对于一个没研究过 IPv6 的人来说这只好蒙了。。。ARP 是 IPv4 时代的,ND(Neighbour Discovery 则是 IPv6 时代的新产物,把 ARP 和 ICMP 等协议的功能都包含了进来,并且有新的功能。之前样题里还出现过问 IPv6 中去掉了 Unicast,Anycast,Multicast,Broadcast 中的哪种,答案是 Broadcast。
  3. 第一个把程序错误称做 bug 的是? 选项太多忘了,答案是 Grace Hopper,因为当时一只飞蛾意外飞入了机器导致了故障,后来慢慢就流传下来了。
  4. 以下不是网络操作系统的是? A. Windows NT B. OS/2 warp C. DOS D. Netware 当时我没见过 D,于是就选了。。。然后就挂了,Netware 是 Novell 开发的系统,OS/2 warp 当然是历史悠久的系统啦,而 DOS=Disk Operating System 所以没有“网络”二字。。。晕倒
  5. 以下是用作局域网的协议是? A. TCP/IP B. IPX/SPX C. NetBEUI D. RS-232-C TCP/IP 当然不仅限于局域网,RS-232-C 是接口,当时蒙了 B 结果就对了,白白拿了 50 分哈哈哈。IPX/SPX 是 Novell 设计用在 Netware 系统上的局域网协议,NetBEUI 则是 NetBIOS 的一个历史遗留的一个“别称”。
  6. 姚期智的夫人给谁取了中文名? 当然是 Donald Ervin Knuth 啦!高德纳万岁!

等时圆

最近学校老师讲了一下等时圆。先从这个题讲起:

在同一个地方向不同倾角光滑斜面用不同的初速度上滑,到达最高点所用时间相等,求最高点的轨迹是什么?

A. 直线 B. 椭圆 C. 抛物线 D. 圆

当时做这个题目的第一想法是把 x 和 y 座标表示出来:

\[ \frac{1}{2}gsin\theta{}t^2=l, y=lsin\theta, x=ycot\theta \]

然后就傻眼了,并得不到 x 与 y 的关系式。当然了可以求出几个点,强行带入二次曲线通式求解。不过想了想还是用解析几何的方法去做吧:

\[ \frac{1}{2}gsin\theta{}t^2=\sqrt{x^2+y^2}, sin\theta=\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}} \]

这么一代入,显然是圆。但既然这是物理题,可不可以用物理方法做呢?

可以,这就是等时圆。

啥叫等时圆?

等时圆就是,在一个光滑圆环上选择任意一点,让一个小球从这个点沿着光滑直杆到圆的最低点,无论这个点在哪里(最低点不算哈),时间都是一样的。怎么证明?

很简单:设小球与最低点连线与数值方向上夹角为\(\(\theta\)\),那么

\[ s=2Rcos\theta, \frac{1}{2}gcos\theta{}t^2=s \]

你会发现 t 与\(\(\theta\)\)无关。证明完毕。

其实也可以倒过来:从圆的最高点往各个方向下滑,到达圆周时间相等。

好了,到此为止内容都没什么,但你会想问这和前面那道题目有什么关系呢?这怎么等时圆?重力往下诶。运动可是往右上方。

Here comes the black magic :)

我们考虑向下滑到最低点的那个等时圆,在这个圆周上滑倒最低点的时间都相等。好,我们把这个图沿着竖直方向旋转 180 度形成一个球,想想这个球上每一个点到最低点时间是不是也一样?那么考虑逆过程,让小球从斜面上滑下来,我对刚才的球体再竖着切一刀,得到的平面不就是题目中那个吗?得证。

当然了最好能有动画说明,限于本人时间问题暂时不提供 ^_^

Start next term tomorrow

My term starts tomorrow. Sad. Homework haven't finished. I went to Guangzhou for GDKOI thie weekend, and i haven't known the result. It should be bad. I have no confidence at all. I may write less when this term starts. The second term of Senior 2 should a hard time for me. That's all. Sorry for the laziness.