连续变量量子密钥分发数据协调加速研究

发布时间：2020-11-22 01:07

　　 量子信息技术是量子物理与信息科学交叉的新生学科,其主要分支量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)是量子力学与传统密码技术相结合的产物。它借助于量子力学的物理特性:量子不可克隆定理与海森堡不确定性原理,保证了合法通信双方传输密钥信息的隐密性与安全性。量子密钥分发技术两大主要分支,连续变量量子密钥分发(CVQKD)和离散变量量子密钥分发(DVQKD)近些年均发展迅速,其中相干态的连续变量量子密钥分发所需的设备为通用光纤设备,具有较强的实现性。因此,连续变量量子密钥分发具有很大的潜力。数据协调是连续变量量子密钥分发后处理过程中的重要环节,数据协调的加速过程是本文重点进行研究的内容。首先,对适用于量子密钥分发数据协调的LDPC码,使用逐条增加边的PEG(Progressive Edge-Growth)算法来生成H矩阵。这种方法最大的优点是能够生成确定度分布与确定码率的LDPC码,使用经过密度进化和差分进化寻找到的良好度分布生成的LDPC码具有良好的译码性能。实验采用多维数据协调方案,结果表明,在码率和码长相同的情况下,使用PEG方法生成的LDPC码相比Mackay方法生成的LDPC码拥有更好的译码性能,码字收敛信噪比更低,传输速率更高,传输距离更长。实验得出当码长为10~5,码率为0.5时,使用PEG方法生成的LDPC码的协调效率β达到93.4%,可以提取出5.41 kb/s的安全密钥,传输距离为44.5km。其次,在硬件加速上,使用OpenCL语言在CPU-GPU异构平台上加速译码过程,对LDPC码校验矩阵的存储方式进行OpenCL兼容优化,并且设计了在MLC/MSD协调方案下的CPU-GPU异构协调系统,介绍了SW译码算法GPU内核加速实现方式。通过实验对比CPU-GPU异构平台与CPU平台的译码速率,得出使用CPU-GPU异构平台的译码速率约为仅使用CPU平台的7.5倍。
【学位单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN918.4;O413
【文章目录】：
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1. 量子密码学
    1.2. 量子密钥分发
    1.3. CVQKD的发展历程
        1.3.1. CVQKD国外发展历程
        1.3.2. CVQKD国内发展历程
    1.4. 数据协调发展过程
    1.5. 论文内容安排
第二章 量子密钥分发系统
    2.1. CVQKD基本理论
    2.2. 量子密钥分发协议
        2.2.1. DVQKD协议
        2.2.2. CVQKD协议
    2.3. 数据协调
        2.3.1. 二分法纠错协调
        2.3.2. 样条纠错协调
        2.3.3. 基于边信息的信道纠错协调
        2.3.4. 多电平编码/多级译码协调
        2.3.5. 多维数据协调
    2.4. 噪声分析与安全密钥量的估算
    2.5. 本章小结
第三章 基于LDPC码的数据协调方案
    3.1. LDPC码概述
    3.2. LDPC码校验矩阵的构造方法
        3.2.1. Gallager构造法
        3.2.2. Mackay构造法
        3.2.3. PEG构造法
    3.3. LDPC码的译码算法
    3.4. LDPC码的性能分析
    3.5. 本章小结
第四章 基于Open CL与GPU的数据协调算法
    4.1. Open CL概念基础
        4.1.1. 平台模型
        4.1.2. 执行模型
        4.1.3. 内存模型
        4.1.4. 编程模型
    4.2. Open CL在GPU上的实现
        4.2.1. CPU-GPU计算平台介绍
        4.2.2. Open CL在GPU上的编程要点
    4.3. 校验矩阵存储结构优化
        4.3.1. 静态十字双向循环链表存储结构
        4.3.2. Open CL兼容式存储结构
    4.4. 基于异构计算的数据协调优化
        4.4.1. 异构协调系统设计
        4.4.2. SW译码算法的GPU内核实现
    4.5. 实验结果及分析
    4.6. 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1. 研究工作总结
    5.2. 工作展望
参考文献
攻读学位期间取得的研究成果
致谢
个人简况及联系方式

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本文编号：2893872