实际量子通信系统及其安全性的实验研究

发布时间：2020-08-12 22:28

【摘要】：量子通信,其安全性基于量子理论而非计算复杂度,可在理论上实现无条件安全的通信系统。然而,实际器件并不能完美匹配理论模型,并且随着系统复杂度的增加,这些差异会更加明显,最终将导致窃听者可利用的安全漏洞,进而降低系统的实际安全性。随着量子通信技术的逐步实用化,实际系统的安全性也受到了广泛关注,一些针对实际系统的攻击方案和改进协议也陆续被提出和讨论。量子通信中攻与防的研究,就像太极图中的黑白阴阳双鱼,一阴一阳,共同促进实际模型和理论模型之间差异的弥合,使实际量子通信系统更加安全可靠。本文主要从研究实际系统的漏洞以及降低实际系统的复杂度两方面出发,对量子通信系统的实际安全性进行实验研究,主要研究内容概括为:对量子秘密共享协议在实际系统中的实施自由度问题进行了研究。基于环形量子秘密共享协议,提出了单光子的多组动态方案。网络中的用户可根据一定的性质分为不同的小组,Alice通过偏振复用实现对秘密共享组的选择。此外,通过一次分发,Alice还可以同时与多个小组进行独立的共享秘密。因此,多组动态方案进一步增加了量子秘密共享的灵活性,拓展了该协议的使用场景。针对探测器设备无关的量子密钥分发协议,本文讨论了探测器波长相关攻击在实际系统中的可行性,并基于著名的探测器致盲攻击方案,提出了一种新的窃听策略,并针对如何有效致盲全部探测器以及如何有效控制探测器响应进行了详细说明。为了验证攻击方案的可行性,我们进行了原理性的实验验证,发现利用不同探测器间响应的差异性,可完美致盲全部探测器,并有效控制仅使其中一台探测器发生响应。为了降低实际量子密钥分发系统的复杂度,本文研究了参考系无关协议,该协议能够有效避免系统在参考系校准过程中的额外资源消耗。通过利用凸优化方法估计窃听者信息量,态制备所需的量子态从六种减少到三种(Z基的两个本征态和X基中的一个本征态),并且简化后的协议在相干攻击下的安全性也得到了证明。为了验证少量态协议的实际可行性,我们在15公里和55公里的传输距离下进行了实验验证,结果证明态数量的减少并不会严重影响安全密钥率。本文进一步实验研究了测量设备和参考系双无关的量子密钥分发协议在高系统频率和远传输距离下的可行性。系统重新设计了一种高效的编码单元,仅使用相位调制器就能实现不同量子态的制备,并且通过将光子的时间信息与偏振信息复用,实现了对两个Bell态高效识别。最终,在系统工作频率为50 MHz的情况下,实现了百公里的安全传输距离。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413;TN918
【图文】：

斯巴达,密码,木棒

族斯巴达人被认为是密码学的先驱。公元前４００年，他们发明了一种用于军队将领逡逑间传递信息的工具，被称为“密码棒”（Ｓｃｙｔａｌｅ）。它是由携带讯息的羊皮纸或皮革绕逡逑在一个木棒上制成，如图１－１。使用时，发信者沿木棒上的皮革纵向书写，每旋转木逡逑棒一次写一个文字，之后将皮革从木棒抽出，就得到了一个文字错乱的文本。当收逡逑信者得到这个羊皮纸或皮革后，将其缠绕在同样大小的木棒上就可以恢复原始信息。逡逑图１－１邋斯巴达密码棒逡逑凯撒大帝使用了更为简单的字母替换方法来进行保密通信，被称为“凯撒密码”逡逑１逡逑

序列,密码分析,密码学,密码

在２０世纪２０年代，机电技术应用于Ａｌｂｅｒｔｉ密码盘，使其变成了一种转轮机，逡逑通过旋转一些列转子，可以产生长替代周期的加密序列，最为著名的便是Ｅｎｉｇｍａ加逡逑密机，由Ａｒｔｈｕｒ邋Ｓｃｈｅｒｂｉｕｓ于〗９１８年申请专利，如图１－４。密码分析史上最显著的成逡逑就便是攻破了邋Ｅｎｉｇｍａ加密机。１９３２年冬天，在华沙波兰情报局工作的２７岁密码分逡逑析师Ｍａｒｉａｎ邋Ｒｅｊｅｗｓｋｉ从数学上确定了邋Ｅｎｉｇｍａ的第一个转子的接线。从那时起，波兰逡逑就能够阅读德军用Ｅｎｉｇｍａ机器加密的数千条信息。］９３９年７月，波兰人将此破译方逡逑法传给了法国和英国的密码分析师。希特勒入侵波兰和法国后，英国的密码分析师逡逑在布莱切公园为完全破译Ｅｎｉｇｍａ密码而继续奋斗着。位于这座公园中心的密码学院逡逑后来也见证了现代密码分析领域众多令人振奋的成就。逡逑尽管密码学有着很长的发展历史，但是直到２０世纪４０年代，密码学才真正成逡逑为数学和信息论的一部分。这要归功于Ｃｌａｕｄｅ邋Ｓｈａｎｎｏｎ

加密过程,密钥,密文,明文

法通信双方共享一个与明文相同长度的随机比特串，这个随机比特串作为密钥仅被逡逑通信双方所知。将密钥与明文异或相加便可得到密文，解密过程则是将密文与密钥逡逑进行异或运算进而恢复得到明文，如图１－５。逡逑明文：ｏｉｔｍｉｏｏ邋．．逦（多逡逑密钥：１１００１０１０逡逑密文邋＿■邋ｌｏｏｉｏｉｗ逡逑？灥逦＾逦（ｍｌ逡逑信道逦密文１００１０１１０逡逑密钥：１１００１０１０逡逑密文：０１０１１１００逡逑图１－５邋—次一密加密过程逡逑虽然理论上可以证明ＯＴＰ的安全性，但存在一个关键的实际问题有待解决，这逡逑就是密钥分发问题。通信者双方必须提前通过一个安全信道共享一串与明文等长的逡逑随机比特串，但在经典物理中，这样的安全信道是不存在的，因为窃听者可以通过逡逑复制等手段对此信道进行窃听，并且不会引入任何可检测的扰动。为了解决密钥分逡逑５逡逑

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