量子金鑰(模擬)

原理

量子金鑰分發（英語：Quantum Key Distribution，簡稱QKD）是利用量子力學特性實現密碼協定的安全通訊方法。它使通訊的雙方能夠產生並分享一個隨機的、安全的金鑰，來加密和解密訊息。

量子金鑰分發的一個最重要的，也是最獨特的性質是：如果有第三方試圖竊聽密碼，則通訊的雙方便會察覺。這種性質基於量子力學的基本原理：任何對量子系統的測量都會對系統產生干擾。第三方試圖竊聽密碼，必須用某種方式測量它，而這些測量就會帶來可察覺的異常。通過量子疊加態或量子纏結態來傳輸資訊，通訊系統便可以檢測是否存在竊聽。當竊聽低於一定標準，一個有安全保障的金鑰就可以產生了。

BB84協定由於選取機率性質，Alice 與 Bob 獲得的金鑰數量會大約等於Alice發出訊號總數量的1/2(Key bits(Nkey) = 0.5 Ntot)，而當竊聽者Eve介入時，所生成的金鑰數量又會有1/4出錯的可能(Errors(Nerr) = 0.25Nkey)，最終可以得出出錯率為1/4 (Nerr/Nkey = 0.25)。

模擬

在量子金鑰中BB84協定，運用了類似量子疊加的特性傳送與量測並產生金鑰，藉由定義不同疊加狀態下的Basis我們可以列出如右圖的表，而Alice需要由不同Basis下選擇一個 0 或 1 (0 or 1 bit)的訊號進行傳送，而Bob 則需要選擇一個Basis (Z basis 或 X basis)進行量測，若 Alice 和 Bob 選擇了相同 basis 進行傳送(send 0 or 1)與接收(detect by Z basis or X basis and get bit)，則Bob 會接收到Alice 所傳送的相同訊號，而當Alice 和 Bob 選擇了不相同 basis 進行傳送(send 0 or 1)與接收(detect by Z basis or X basis and get bit)，則Bob 會接收到不一定正確的訊號。最後Alice 和 Bob 會共享他們的basis 並剔除不同basis 下的bit並產生出一組金鑰。若Alice 和 Bob 共享他們的basis且剔除不同basis 下的bit後卻產生了不同金鑰代碼則可能是Eva(竊聽者)的加入，這是由於量子不確定性所造成的。

步驟

Project 1："沒有"竊聽者

請在Simulation 選擇 Controls，並將show key generation 、show key bits 勾選。
選擇fixed orientations，Alice選擇 Z basis，Bob 選擇 Z basis，並使用single particle 產生6次傳送，並記錄在學習單中。
選擇fixed orientations，Alice選擇 Z basis，Bob 選擇 X basis，並使用single particle 產生6次傳送，並記錄在學習單中。
選擇fixed orientations，Alice選擇 X basis，Bob 選擇 X basis，並使用single particle 產生6次傳送，並記錄在學習單中。
選擇fixed orientations，Alice選擇 X basis，Bob 選擇 Z basis，並使用single particle 產生6次傳送，並記錄在學習單中。
選擇Random orientations，並使用single article 產生6次傳送，記錄Alice 的Basis & Value 和 Bob 的 Basis & Outcome 在學習單中，請自行判斷生成的金鑰數字串然後紀錄在學習單中並與Most recent key bits的金鑰串做比較是否相同。

Project 2：Eavesdrop!!

請在Simulation 選擇 Controls，並將show key generation 、show key bits 、show total errors勾選，點選Eavesdrop!。
選擇Random orientations，並使用single particle 產生2,3,10,50次傳送(Ntot = 2,3,10,50，執行不同次數時皆須先Clear measurement)，並記錄在學習單中。
請由不同次數下判斷Bob是否可以觀察到Eve的存在。
並藉由不同發射次數計算出Nkey、Nerr、Probability，並比較發射次數是否對BB84協議是重要的。

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量子金鑰(模擬)

原理

量子金鑰分發（英語：Quantum Key Distribution，簡稱QKD）是利用量子力學特性實現密碼協定的安全通訊方法。它使通訊的雙方能夠產生並分享一個隨機的、安全的金鑰，來加密和解密訊息。

模擬

步驟

Project 1："沒有"竊聽者

請在Simulation 選擇 Controls，並將show key generation 、show key bits 勾選。

選擇fixed orientations，Alice選擇 Z basis，Bob 選擇 Z basis，並使用single particle 產生6次傳送，並記錄在學習單中。

選擇fixed orientations，Alice選擇 Z basis，Bob 選擇 X basis，並使用single particle 產生6次傳送，並記錄在學習單中。

選擇fixed orientations，Alice選擇 X basis，Bob 選擇 X basis，並使用single particle 產生6次傳送，並記錄在學習單中。

選擇fixed orientations，Alice選擇 X basis，Bob 選擇 Z basis，並使用single particle 產生6次傳送，並記錄在學習單中。

選擇Random orientations，並使用single article 產生6次傳送，記錄Alice 的Basis & Value 和 Bob 的 Basis & Outcome 在學習單中，請自行判斷生成的金鑰數字串然後紀錄在學習單中並與Most recent key bits的金鑰串做比較是否相同。

Project 2：Eavesdrop!!

請在Simulation 選擇 Controls，並將show key generation 、show key bits 、show total errors勾選，點選Eavesdrop!。

選擇Random orientations，並使用single particle 產生2,3,10,50次傳送(Ntot = 2,3,10,50，執行不同次數時皆須先Clear measurement)，並記錄在學習單中。

請由不同次數下判斷Bob是否可以觀察到Eve的存在。

並藉由不同發射次數計算出Nkey、Nerr、Probability，並比較發射次數是否對BB84協議是重要的。