实际连续变量量子密钥分发系统的安全性及性能研究

发布时间：2021-03-10 03:04

　　基于计算复杂度的经典密码在量子信息时代将不再安全,因此研究者们基于量子物理基本原理设计了理论上无条件安全的量子密码。特别地,量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）是量子密码领域中研究比较成熟的一个重要分支。基于一些基本假设,量子密钥分发在常见攻击下的理论安全性已经被充分证明。然而,实际量子密钥分发系统中却存在着一些违背安全性证明假设的非完美性。其中,一部分非完美性可能会打开安全漏洞,这个漏洞可以被窃听者利用来隐藏自己,进而可以成功地获取安全密钥信息,这是一种有效的量子黑客攻击策略。量子黑客攻击严重地破坏了系统的实际安全性。而另一部分非完美性则可能仅恶化系统的实际性能。因此,对实际安全性及实际性能问题进行研究可有效地加快量子密钥分发的商业化应用进程。目前,量子密钥分发可分为离散变量（Discrete Variable,DV）量子密钥分发和连续变量（Continuous Variable,CV）量子密钥分发。本文主要围绕基于高斯调制相干态（Gaussian-modulated Coherent States,GMCS）的连续变量量子密钥分发系统开展研究工作... 

【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校

【文章页数】：155 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

在量子信道过噪声理想估计值不同的GMCSCVQKD系统中，降低光衰减下量子信道过噪声估计值与k的关系

西北大学博士学位论文50图12描绘了当=0.05时，被攻击的GMCSCVQKD系统在VOA性能恶化情况不同时，比如k=1.6,1.2时，系统理论安全密钥率与安全传输距离间的关系。图13描绘了当k=1.6时，对于量子信道过噪声不同的GMCSCVQKD系统，比如=0.05,0.01时，系统理论安全密钥率与安全传输距离间的关系。用于上述仿真的固定参数设置为：04AV=、=0.5、0.01el=、=95%、1010=、m=0.5N以及N=109。很显然，降低光衰减影响下系统理论安全密钥率的评估值eK高于其实际值pK。仿真分析再次证明在实际GMCSCVQKD系统中，降低的光衰减可以为Eve打开一个安全漏洞来成功地执行经典的截泉重发攻击。特别地，对于同一个GMCSCVQKD系统，当VOA的光衰减量降低值固定时，系统理论安全密钥率的评估值与其实际值间的偏差反映了Eve可通过截泉重发攻击获取的安全密钥量。除此之外，通过图12还可以发现，安全密钥信息的泄露量随着VOA性能的逐步恶化而增加。另外，图13表明当VOA性能恶化情况相同时，对于过噪声较大的GMCSCVQKD系统，Eve可能获取的安全密钥信息量更多。图12当=0.05时，在不同降低光衰减情况下，系统理论安全密钥率与安全传输距离间的关系。这里，光纤损耗为0.2dB/km。

降低光衰减下CVQKD系统的实际安全性51图13当k=1.6时，不同GMCSCVQKD系统理论安全密钥率与安全传输距离间的关系。这里，光纤损耗均为0.2dB/km。上述仿真分析证明了在实际GMCSCVQKD系统中，Eve可以利用激光损坏攻击去恶化VOA的性能，从而主动地为自己打开一个安全漏洞来掩盖经典攻击引入的额外噪声，最终成功地获取安全密钥信息，这是一种有效的量子黑客攻击方案。更重要地，对上述量子黑客攻击进行有效地抵御是一项关键的任务。我们发现在一个实际GMCSCVQKD系统中，系统实际调制方差的变化与VOA衰减量的改变是同步的。因此，对系统调制方差进行实时监控可以关闭由降低光衰减打开的安全漏洞，具体监控方案在下一小节中进行详细介绍。3.3防御方案上述研究展示了降低光衰减对系统参数估计及理论安全密钥率评估的影响。分析结果表明降低的光衰减可为Eve打开一个安全漏洞，这严重地威胁了系统的实际安全性。为了移除这个安全漏洞，可以在系统发射端的输出端口添加一个光隔离器来抵御潜在的激光损坏攻击。具体地，首先根据光纤的性能分析计算出Eve注入光强度的界[25]，并为GMCSCVQKD系统选择一款合适的光隔离器。然而，光隔离器的性能也有可能被Eve通过激光损坏攻击来降低，这大大降低了对上述量子黑客攻击抵御的有


本文编号：3073945