非可信源条件下量子密钥分发系统的研究与实现

发布时间：2017-07-05 05:02

  本文关键词：非可信源条件下量子密钥分发系统的研究与实现

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【摘要】：量子信息学科是量子论与信息论的交叉学科,由于量子叠加及量子纠缠等特性使其具有独特的魅力。量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)的无条件安全性由量子力学的基本原理进行保证,从根本上解决了密钥分发的安全性问题。目前,量子密钥分发是量子信息学科中最贴近于实际应用的一个发展方向。理想的量子密钥分发协议要求单光子源和单光子探测器均是理想的,然而这在目前现有的技术水平条件下还无法达到,从而使实际QKD系统极易遭受到各种各样的攻击,如光子数分割攻击(Photon Number Splitting,PNS)和边信道攻击。目前探测器端的漏洞可以通过测量设备无关量子密钥分发(Measurement Device Independent QKD,MDI-QKD)方案进行克服,导致了攻击者逐渐开始将源作为攻击的主要目标。双向结构的QKD系统由信宿负责向信源发送强光脉冲再由信源完成编码后发回给信宿,这样窃听者Eve便可对这些强光脉冲进行任意操作甚至可完全替换——也即等价于在双向结构QKD系统中源完全由Eve控制,这就使源变的未知且非可信。本文对非可信源条件下QKD系统进行研究与实现。首先,简要介绍了量子保密通信和量子密钥分发的基本概念、发展现状及实际QKD系统中存在的安全隐患;介绍了保证量子密钥分发无条件安全性的量子力学理论基础、典型的QKD协议并根据本文的研究内容详细介绍了诱骗态策略。其次,总结了实际QKD系统中源端的安全漏洞并给出相应的克服方法;结合诱骗态策略提出了一种非可信源条件下基于偏振编码的MDI-QKD系统方案并给出了具体的协议过程,该方案只在非可信的第三方采用了一个非可信源同时通信双方可通过第三方共享价格昂贵的探测器从而大大节省了实现成本;然后,结合诱骗态策略的分析方法以及被动监控策略完成了无条件安全性分析,并给出了其无条件安全成码率公式并进行了仿真,结果表明,采用非可信源的MDI-QKD系统与理想的MDI-QKD系统相比安全成码率并无明显降低。第三,完成了采集前电路的设计,并借助FPGA完成了对控制与数据采集子系统的设计。在该系统的设计中,我们使用了外部同步触发信号来完成对探测器输出信号的采集,并将采集得到的信号按照段号及位置信息进行编码,然后通过串口发送给上位机。通过该数据采集系统可以得到用于后续QKD过程的高可信度的原始信息,有助于提高整个QKD过程的效率;最后,对全文进行了总结与展望。本文所提出的基于偏振编码的双向MDI-QKD方案由网络中的服务方提供价格昂贵的光源与探测器,而通信的双方只需要相应的编码设备即可,可以方便地实现星型MDI-QKD网络。这必将有助于推动QKD网络向实用化方向继续发展。
【关键词】：非可信源 量子密钥分发 测量设备无关量子密钥分发 偏振编码
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN918.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 符号对照表12-14
• 缩略语对照表14-18
• 第一章 绪论18-24
• 1.1 量子保密通信概述18-19
• 1.2 量子保密通信的发展现状及存在的问题19-22
• 1.2.1 量子保密通信的发展现状19-21
• 1.2.2 实际量子密钥分发系统中存在的问题21-22
• 1.3 论文主要工作及章节安排22-24
• 第二章 量子密钥分发理论基础24-36
• 2.1 量子密钥分发的量子力学理论基础24-27
• 2.1.1 海森堡不确定性原理24-26
• 2.1.2 量子不可克隆定理26
• 2.1.3 纠缠粒子的关联性与非定域性理论26-27
• 2.2 典型的量子密钥分发协议27-32
• 2.2.1 BB84协议27-30
• 2.2.2 B92协议30-31
• 2.2.3 E91协议31-32
• 2.3 诱骗态QKD协议32-35
• 2.3.1 标记单光子源成码率分析32-33
• 2.3.2 诱骗态QKD协议简介33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 非可信源条件下量子密钥分发系统安全性研究36-54
• 3.1 现实条件下QKD系统源端的安全漏洞概述36-40
• 3.1.1 理论安全性与实际安全性36-37
• 3.1.2 非可信源37-38
• 3.1.3 非理想的单光子源38-39
• 3.1.4 多激光器39
• 3.1.5 光强涨落39-40
• 3.2 非可信源条件下基于偏振编码的MDI-QKD系统设计40-43
• 3.2.1 系统模型42-43
• 3.2.2 协议过程43
• 3.3 系统安全性分析43-50
• 3.3.1 系统分析44-47
• 3.3.2 密钥生成率47
• 3.3.3 诱骗态分析47-50
• 3.4 性能仿真及分析50-53
• 3.4.1 强度监控仪的不完美50
• 3.4.2 脉冲标记率△50-51
• 3.4.3 有限数据长度51-52
• 3.4.4 仿真结果及说明52-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第四章 QKD系统采集前电路及数据采集软件的设计与实现54-70
• 4.1 非可信源下偏振编码的MDI-QKD系统简介54-55
• 4.2 Charlie端采集前电路设计55-59
• 4.2.1 同步电路设计55-57
• 4.2.2 脉冲展宽电路设计57-58
• 4.2.3 实现及测试58-59
• 4.3 数据采集软件设计59-66
• 4.3.1 总体模块设计60-61
• 4.3.2 实现模块设计61-62
• 4.3.3 采集处理及编码模块设计62-64
• 4.3.4 串口通信模块64-66
• 4.4 平台实验及采集结果66-70
• 第五章 总结与展望70-72
• 5.1 工作总结70
• 5.2 对未来工作的建议70-72
• 参考文献72-78
• 致谢78-80
• 作者简介80-81

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本文编号：520547