基于ZYNQ的QKD系统关键模块设计与实现
发布时间：2021-08-12 03:01
量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）技术利用量子物理原理,向需要保密通信的双方提供理论上无条件安全的通信密钥。自BB84协议提出以来,QKD技术受到了量子物理、计算机科学与密码学等多个领域研究者的广泛关注。目前,QKD系统正逐步从实验原理样机向小型化、集成化、实用化的商用QKD系统发展。本文以ZYNQ开发平台为基础,完成了QKD系统总体控制模块、时序控制模块、后处理模块及通信模块等四个关键模块的设计与实现。本文的主要工作如下:（1）总体控制模块设计与实现。为了实现了对系统信号的控制,本课题通过分析QKD系统的工作流程,开发了一套量子密钥分配终端控制软件;为了解决外部环境变化导致的系统工作效率降低的问题,本课题提出了一种自适应的参数自检方案。（2）时序控制模块设计与实现。为了完成总体控制模块指令的解析,生成QKD系统设备的工作信号,本课题设计并实现了一套时序生成方案;为了解决QKD系统通信双方的时钟同步问题,本课题还实现了一种基于光纤的时钟同步方案。（3）后处理模块设计与实现。为了使通信双方生成一致的安全密钥,本课题在课题组自主研发后处理算法IP核的基...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ZCU106资源图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-利用量子信息熵的性质，给出的BB84理想条件下的安全证明。这三种证明均可以获得最终的安全码率公式，如公式(2-3)所示。其中，代表误码率，且当<11%时，普遍认为得到的密钥是安全的。(2-3)2.2.2QKD系统组成量子密钥分发在过去的二十年中得到了快速发展并进入了实用化研究的阶段。QKD系统一般主要由物理层、后处理层、控制层等三部分组成，如图2-3所示。其中，物理层是完成双方量子通信的基础，其功能为产生并传输量子态的原始密钥，主要由单光子源、量子信道、调制器及单光子探测器等组成。后处理层是通信双方实现一致密钥的保证，其功能是将原始密钥提纯得到最终的安全密钥，主要由密钥筛癣误码协商、保密增强及信道认证等关键步骤组成。控制层是QKD系统的工作核心，也是保证系统稳定运行的关键，其功能是控制QKD系统高效稳定的完成密钥传输工作。图2-3QKD系统结构图在本课题实现的QKD系统中，物理层采用改进的双路“即插即用”QKD物理系统，控制层与后处理层作为本课题的主要研究对象，选用ZynqUltraScale+MPSoCZCU106开发套件作为开发平台进行实现。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-11-2.2.3QKD系统物理层工作流程QKD物理系统是完成量子通信的基矗日内瓦大学Gisin研究小组提出的双路“即插即用”QKD物理系统具有通信距离远、稳定性高、误码率低，能够自动补偿色散等特点，因此被广泛使用[68]。本课题使用的QKD物理系统是基于双路“即插即用”QKD物理系统改进而成的，其光路如图2-4所示：图2-4改进的双路“即插即用”QKD物理系统光路图光路中的光学器件多为保偏器件，以此保证在传输过程中光子的偏振状态不受影响。各个光学器件的名称和功能如表2-1所示：表2-1QKD物理系统光学器件表器件标识器件名称器件功能LD激光器发出激光脉冲SPD单光子探测器探测单光子Circulator保偏环形器控制激光器光束及调制后光束的传播方向BS50/50分束器将一束脉冲激光分为50/50两束脉冲光PM相位调制器对光子加载相位进行调制DL延迟光纤补偿传输延时PBS偏振分束器将偏振光分为水平、垂直两个分量SMF单模光纤传输光子与量子信息，即量子信道ATT衰减器光束两次经过衰减器，能量被衰减至单光子水平SL存储光纤减少瑞利散射影响，降低误码FR90o法拉第偏转镜将输入光旋转90o偏振态以一次QKD系统通信过程为例，该物理系统的详细工作内容如下：（1）Bob端激光器（LaserDiode,LD）发出波长约为1550nm的偏振脉冲
本文编号：3337446
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ZCU106资源图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-利用量子信息熵的性质，给出的BB84理想条件下的安全证明。这三种证明均可以获得最终的安全码率公式，如公式(2-3)所示。其中，代表误码率，且当<11%时，普遍认为得到的密钥是安全的。(2-3)2.2.2QKD系统组成量子密钥分发在过去的二十年中得到了快速发展并进入了实用化研究的阶段。QKD系统一般主要由物理层、后处理层、控制层等三部分组成，如图2-3所示。其中，物理层是完成双方量子通信的基础，其功能为产生并传输量子态的原始密钥，主要由单光子源、量子信道、调制器及单光子探测器等组成。后处理层是通信双方实现一致密钥的保证，其功能是将原始密钥提纯得到最终的安全密钥，主要由密钥筛癣误码协商、保密增强及信道认证等关键步骤组成。控制层是QKD系统的工作核心，也是保证系统稳定运行的关键，其功能是控制QKD系统高效稳定的完成密钥传输工作。图2-3QKD系统结构图在本课题实现的QKD系统中，物理层采用改进的双路“即插即用”QKD物理系统，控制层与后处理层作为本课题的主要研究对象，选用ZynqUltraScale+MPSoCZCU106开发套件作为开发平台进行实现。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-11-2.2.3QKD系统物理层工作流程QKD物理系统是完成量子通信的基矗日内瓦大学Gisin研究小组提出的双路“即插即用”QKD物理系统具有通信距离远、稳定性高、误码率低，能够自动补偿色散等特点，因此被广泛使用[68]。本课题使用的QKD物理系统是基于双路“即插即用”QKD物理系统改进而成的，其光路如图2-4所示：图2-4改进的双路“即插即用”QKD物理系统光路图光路中的光学器件多为保偏器件，以此保证在传输过程中光子的偏振状态不受影响。各个光学器件的名称和功能如表2-1所示：表2-1QKD物理系统光学器件表器件标识器件名称器件功能LD激光器发出激光脉冲SPD单光子探测器探测单光子Circulator保偏环形器控制激光器光束及调制后光束的传播方向BS50/50分束器将一束脉冲激光分为50/50两束脉冲光PM相位调制器对光子加载相位进行调制DL延迟光纤补偿传输延时PBS偏振分束器将偏振光分为水平、垂直两个分量SMF单模光纤传输光子与量子信息，即量子信道ATT衰减器光束两次经过衰减器，能量被衰减至单光子水平SL存储光纤减少瑞利散射影响，降低误码FR90o法拉第偏转镜将输入光旋转90o偏振态以一次QKD系统通信过程为例，该物理系统的详细工作内容如下：（1）Bob端激光器（LaserDiode,LD）发出波长约为1550nm的偏振脉冲
本文编号：3337446
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