基于光纤通信的连续变量量子密钥分发改进研究

发布时间：2020-07-15 05:40

【摘要】：量子密码学是量子信息中的一个重要研究分支,它利用量子力学的物理原理—量子不可克隆定理与测不准原理,在理论上实现了无条件安全的保密通信。而随着当前互联网信息的日益发展,信息安全的重要性也日益凸显,这使得量子密码学受到各方的高度关注,成为当前社会普遍关注的热点问题。当前,量子密钥分发主要有两大类:基于离散变量的量子密钥分发和基于连续变量的量子密钥分发。虽然基于单光子类协议的离散变量技术经过几十年的发展已逐步趋于成熟,取得重大进展,但是由于在单光子态的制备和检测方面存在很大技术难题,而连续变量量子密钥分发是将信息编码在光场的正则分量上,信息的载体是连续变量,从而解决了离散变量类协议在单光子方面的技术难题,这使得连续变量类协议成为其更为有效的替代方案。本文以相干态连续变量量子密钥分发为研究点来展开,主要包括三方面的内容:1.利用光参量放大器提升存在器件噪声时中间纠缠源连续变量量子密钥分发的安全传输距离。为提升存在器件非理想特性时系统的安全码率与最大传输距离,本文提出在接收端添加光放大器对信号进行放大,通过协方差矩阵的变换,推导了系统在集体攻击反向协调下的安全码率表达式。并进行实际参数的数值模拟,结果表明,在合适参数的选择下,光放大器的使用能够提升系统的最大传输距离。2.分析了光参量放大器对于自参考连续变量量子密钥分发协议中相位噪声的影响。自参考连续变量量子密钥分发协议由于参考脉冲与相位脉冲的不匹配,会引入一定相位噪声,降低了系统性能。本文通过在接收端添加放大器,详细分析了放大器对相位噪声的影响,推导了系统在集体攻击反向协调下的安全码率表达式,基于实际数值的仿真表明,在合适参数的选择下,加入放大器能够补偿自参考连续变量量子密钥分发系统的相位噪声,从而有效提升系统的最大传输距离。3.提出了一种通过连续变量将量子密钥分发与私有经典通信相结合的方案。为实现量子通信和经典通信的并行传输,本文提出利用相干态的正则分量,对经典比特数和高斯随机数进行编码,通过特定的约定方法,实现两者的同时传输。经过实际的数值仿真,结果表明通过这种方法可以安全地实现量子密钥分发和经典通信的并行传输。
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN918.4;O413
【图文】：

工作流程图,加密体制,工作流程

图 1-1RSA 加密体制工作流程RSA 加密算法的确解决了对称加密算法中加密密钥的传输问题，但从其实现原理上讲，RSA 并不是不可破解的。原因在于 RSA 算法从根本上来说是基于一个复杂的数学问题，即大整数的分解问题，其安全性程度取决于这个大整数的长度。那么也就是说，只要能够分解这个大整数，也就意味着这个加密被破解了。而事实证明，该加密算法的确是可被破译的，目前，我们能够破解的最长 RSA 密钥是 768 位。虽然这个过程很艰难，但至少证明了 RSA 并不是绝对安全的。特别是随着一些量子算法的提出以及量子计算机的发展，RSA 的安全性受到更大的威胁，这也就意味着我们目前普遍依赖的加密体制将迎来更为严峻的挑战。1.2 量子密钥分发概述19 世纪末，经典物理理论已经发展到相当完善的地步，但物理学家们逐步发现运用经典物理论无法解释一些实验问题，例如黑体辐射、光电效应、原子光谱等，于是经过一大批物理学界伟人的努力，于 20 世纪初创立了量子力学，这才得以解释一些经典物理论无法解释的微观现象。经过百年来的发展，量子力学体系更加完善，由其衍生出的应用也更加广泛。而量子保密通信正是量子力学一

系统模型图,光纤传输,系统模型,相干态

极大提高了密钥传输率[12]。由于实际情况中，压缩态的制备仍然存在极大技术困难在随后 2002 年，法国法布里实验室研究者 F.Grosshans 和 P.Grangier 共同提出了基于高斯调制相干态的零拍探测协议，即 GG02 协议[13]。该协议的实现由于只需要用到光纤通信中的常用器件，从而大大降低了 QKD 实现对于设备器件的要求。该协议问世伊始，针对协议中正向协调 3dB 传输距离的限制，F.Grosshans 等人又提出以接收方数据为基点修正发送方数据的反向协调算法，成功的突破了 3dB 限制[14]。2004 年，C. Weedbrook 等人又提出相干态外差探测协议[15]，相比于 GG02 协议，它们采用的信源都是高斯调制相干态，不同点在于接收端采用的是外差探测，而不再需要随机选择测量基，因为它可以同时测量相干态的两个正交分量，这无疑效率会高出一倍。由于 GG02 协议的首次实验是基于自由空间传输来实现的，因而实用性非常有限。2005 年，首个基于光纤传输的密钥分发方案由法布里实验室的 J.Lodewyck等人提出[16]。2007 年，J.Lodewyck 等人共同搭建了较为完备的 CV-QKD 试验系统，成功将传输距离延长至 25km，并且安全码率高达 2kb/s[17]，其系统模型图如图 1-2 所示。

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图 1-3 文献[15]中的实验系统原理示意图受多方面因素影响，国内针对 CV-QKD 的实验研究起步较晚，但在短短几年的时间里也取得不少成果。2011 年，上海交通大学的曾贵华小组搭建了基于高斯调制相干态的 CV-QKD 系统，实现了在 27.2km 的光纤信道中能够获得高达3.9kb/s 的安全码率[20]。2013 年，山西大学彭X墀等人实现了四态协议的光纤传输 CV-QKD，其传输距离为 30.2km[21]。2015 年和 2016 年，曾贵华研究小组分别发表了传输距离为 50km[22]和超过 100km[23]的 CV-QKD 实验研究。2017 年，北京邮电大学小组完成了 CV-QKD 系统在商业光纤网络上的外场实验[24]，安全距离达到 50 公里。CV-QKD 协议的发展要落后于 DV-QKD 近 20 年，从第一个 CV-QKD 协议诞生到现在，后续的实验大多都以实验验证和系统性能改进为主。不管如何，QKD 的发展已经取得实质性的进展和突破，在不久的将来，它将成为所有通信保密手段中最实用同时也是最安全的技术，也将成为世界各国在信息安全领域竞相角逐的焦点之一。1.4 论文研究内容及结构

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