连续变量量子密钥分发实际安全性研究

发布时间：2020-07-31 09:52

【摘要】：随着量子物理和量子信息论的兴起,凭借量子信号的特有属性,人们提出了具有无条件安全性的量子保密通信,引起了社会各界人士的密切关注。它的出现改变了仅依赖数学与逻辑变换的传统模式的加密方式,开辟了基于物理机制的密码学的新思路和新方法。量子保密通信以量子密码为基础,而目前量子密码中最成熟且成果显著地是量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD)技术。该技术可以基于连续变量量子态或者离散变量量子态来实现。理论上讲,QKD技术具有无条件安全性。然而,由于实际实验系统的器件等存在一些非完美性问题,QKD系统的无条件安全将会在一定程度上受到威胁。因此,为了使QKD系统更好的得以实际应用,研究其实际安全性有着至关重要的现实意义。本文聚焦连续变量量子密钥分发(Continuous variable quantum key distribution,CVQKD)系统,对其实际安全性问题进行研究,力求提高实际环境中系统的性能和实际安全性。本文主要完成了以下几个方面的工作内容:1.研究基于任意个体或集体攻击下CVQKD系统的实际安全监控方案。区别于之前聚焦在截取-重发和高斯攻击的实际安全性问题,实际问题Eve可以利用系统的任何不完美性且以任何攻击方式对系统进行攻击。本文首先分析实际环境中所有可以被攻击者利用的噪声,计算了攻击者成功掩盖自己攻击方式时所需本振光(Local oscillator,LO)扰动的限。该界限是保证攻击者成功掩盖她自己的攻击行为而不被合法方发现的条件,然后依据此下限,我们得到了实际CVQKD系统的最优监控条件。最后,作为例子,分别研究了特定攻击下系统的实际安全性问题。2.研究了基于机器学习的CVQKD的参数评估与优化方案。通过对支持向量回归(Support vector regression,SVR)模型和CVQKD系统的结合,以期实现对系统性能和实际安全性的优化。首先,通过大量数据训练出信号物理参数的SVR预测模型;然后,模型的预测结果值被作为反馈来控制系统参数,以使系统达到最优的性能和实际安全性;最后,在高斯调制相干态(Gaussian modulated coherent state,GMCS)CVQKD系统中对该方案进行了验证。实验结果证明此基于SVR的方案最终可以达到预期的优化效果且有着几个显著的优点。3.为了提高CVQKD系统的性能和实际安全性,本文提出了一种基于连续随机选择测量基的CVQKD方案。首先我们对此方案进行了详细的介绍;然后计算了集体攻击下所提方案的密钥率,并对实际环境中系统的实际安全性进行了分析。研究结果表明,此方案明显提高了系统的性能,如安全通信距离。而且,我们的方案避免了测量基的比较和密钥率的丢弃,并且可以很容易地利用现有的技术实现。此外,基选择不完美带来的实际安全性问题可以依据相位补偿算法得以解决。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN918;O413
【图文】：

量子态,相空间

图 1 相空间中各个量子态的展示。子密钥分发技术编码信息在光场的正则分量x和b 如何对x和p进行测量才是下面一系列工作的有平衡零差检测和平衡外差检测两种方式。Ho相同但强度很高的本振光与弱信号光互相干涉测量的目的。Heterodyne 探测器[59]可由两个独立对这两种探测器的原理进行简单的介绍：探测器依据接收端本振光和信号光的相位差测理如图 2。目标信号模式 , 与本振光一起BS），分光比为 50：50 且一般作为系统相位参考的两路输出进入两个光电探测器，做减法以后

联合熵,条件熵,互信息量,香农

西北大学博士学位论文了接收方得到信息为时，信源端发送消息的不确定由此可以推导出表示整体信息量的互信息I : = H + H H , 4 所示。最终，从信息上的角度给出高斯白噪声信C = log 1 + ，称为系统的信噪比，为信号的方差，代表噪

正态分布,过噪声,集体

与 Eve 进行集体攻击时引入的过噪声之间的关系图。仿真参数为 = , = . , = . , = . , = , = 且 = . 。意实际攻击模式下系统安全监控全监控条件QKD 系统完成量子传输之后，Alice 和 Bob 将共享两个相关的向量 , x 和y = y , y , , y ，N 代表接收到的脉冲总数。系统所涉及的量子是普通的线性模型，有y = tx + z，（3.2 ηT ∈ ，且z是一个满足正态分布的噪声项，该噪声项方差为σ = N + ηTε + V ，（3.2系统的散粒噪声方差，ε表示系统总的过噪声。当 Eve 采用个体攻击对系统

【参考文献】