發(fā)布時(shí)間：2017-07-05 05:02

  本文關(guān)鍵詞：非可信源條件下量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

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【摘要】：量子信息學(xué)科是量子論與信息論的交叉學(xué)科,由于量子疊加及量子糾纏等特性使其具有獨(dú)特的魅力。量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution,QKD)的無(wú)條件安全性由量子力學(xué)的基本原理進(jìn)行保證,從根本上解決了密鑰分發(fā)的安全性問(wèn)題。目前,量子密鑰分發(fā)是量子信息學(xué)科中最貼近于實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)發(fā)展方向。理想的量子密鑰分發(fā)協(xié)議要求單光子源和單光子探測(cè)器均是理想的,然而這在目前現(xiàn)有的技術(shù)水平條件下還無(wú)法達(dá)到,從而使實(shí)際QKD系統(tǒng)極易遭受到各種各樣的攻擊,如光子數(shù)分割攻擊(Photon Number Splitting,PNS)和邊信道攻擊。目前探測(cè)器端的漏洞可以通過(guò)測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)(Measurement Device Independent QKD,MDI-QKD)方案進(jìn)行克服,導(dǎo)致了攻擊者逐漸開始將源作為攻擊的主要目標(biāo)。雙向結(jié)構(gòu)的QKD系統(tǒng)由信宿負(fù)責(zé)向信源發(fā)送強(qiáng)光脈沖再由信源完成編碼后發(fā)回給信宿,這樣竊聽者Eve便可對(duì)這些強(qiáng)光脈沖進(jìn)行任意操作甚至可完全替換——也即等價(jià)于在雙向結(jié)構(gòu)QKD系統(tǒng)中源完全由Eve控制,這就使源變的未知且非可信。本文對(duì)非可信源條件下QKD系統(tǒng)進(jìn)行研究與實(shí)現(xiàn)。首先,簡(jiǎn)要介紹了量子保密通信和量子密鑰分發(fā)的基本概念、發(fā)展現(xiàn)狀及實(shí)際QKD系統(tǒng)中存在的安全隱患;介紹了保證量子密鑰分發(fā)無(wú)條件安全性的量子力學(xué)理論基礎(chǔ)、典型的QKD協(xié)議并根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容詳細(xì)介紹了誘騙態(tài)策略。其次,總結(jié)了實(shí)際QKD系統(tǒng)中源端的安全漏洞并給出相應(yīng)的克服方法;結(jié)合誘騙態(tài)策略提出了一種非可信源條件下基于偏振編碼的MDI-QKD系統(tǒng)方案并給出了具體的協(xié)議過(guò)程,該方案只在非可信的第三方采用了一個(gè)非可信源同時(shí)通信雙方可通過(guò)第三方共享價(jià)格昂貴的探測(cè)器從而大大節(jié)省了實(shí)現(xiàn)成本;然后,結(jié)合誘騙態(tài)策略的分析方法以及被動(dòng)監(jiān)控策略完成了無(wú)條件安全性分析,并給出了其無(wú)條件安全成碼率公式并進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明,采用非可信源的MDI-QKD系統(tǒng)與理想的MDI-QKD系統(tǒng)相比安全成碼率并無(wú)明顯降低。第三,完成了采集前電路的設(shè)計(jì),并借助FPGA完成了對(duì)控制與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,我們使用了外部同步觸發(fā)信號(hào)來(lái)完成對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)的采集,并將采集得到的信號(hào)按照段號(hào)及位置信息進(jìn)行編碼,然后通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。通過(guò)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以得到用于后續(xù)QKD過(guò)程的高可信度的原始信息,有助于提高整個(gè)QKD過(guò)程的效率;最后,對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)與展望。本文所提出的基于偏振編碼的雙向MDI-QKD方案由網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)方提供價(jià)格昂貴的光源與探測(cè)器,而通信的雙方只需要相應(yīng)的編碼設(shè)備即可,可以方便地實(shí)現(xiàn)星型MDI-QKD網(wǎng)絡(luò)。這必將有助于推動(dòng)QKD網(wǎng)絡(luò)向?qū)嵱没较蚶^續(xù)發(fā)展。
【關(guān)鍵詞】：非可信源 量子密鑰分發(fā) 測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā) 偏振編碼
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN918.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 符號(hào)對(duì)照表12-14
• 縮略語(yǔ)對(duì)照表14-18
• 第一章 緒論18-24
• 1.1 量子保密通信概述18-19
• 1.2 量子保密通信的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題19-22
• 1.2.1 量子保密通信的發(fā)展現(xiàn)狀19-21
• 1.2.2 實(shí)際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題21-22
• 1.3 論文主要工作及章節(jié)安排22-24
• 第二章 量子密鑰分發(fā)理論基礎(chǔ)24-36
• 2.1 量子密鑰分發(fā)的量子力學(xué)理論基礎(chǔ)24-27
• 2.1.1 海森堡不確定性原理24-26
• 2.1.2 量子不可克隆定理26
• 2.1.3 糾纏粒子的關(guān)聯(lián)性與非定域性理論26-27
• 2.2 典型的量子密鑰分發(fā)協(xié)議27-32
• 2.2.1 BB84協(xié)議27-30
• 2.2.2 B92協(xié)議30-31
• 2.2.3 E91協(xié)議31-32
• 2.3 誘騙態(tài)QKD協(xié)議32-35
• 2.3.1 標(biāo)記單光子源成碼率分析32-33
• 2.3.2 誘騙態(tài)QKD協(xié)議簡(jiǎn)介33-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 第三章 非可信源條件下量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)安全性研究36-54
• 3.1 現(xiàn)實(shí)條件下QKD系統(tǒng)源端的安全漏洞概述36-40
• 3.1.1 理論安全性與實(shí)際安全性36-37
• 3.1.2 非可信源37-38
• 3.1.3 非理想的單光子源38-39
• 3.1.4 多激光器39
• 3.1.5 光強(qiáng)漲落39-40
• 3.2 非可信源條件下基于偏振編碼的MDI-QKD系統(tǒng)設(shè)計(jì)40-43
• 3.2.1 系統(tǒng)模型42-43
• 3.2.2 協(xié)議過(guò)程43
• 3.3 系統(tǒng)安全性分析43-50
• 3.3.1 系統(tǒng)分析44-47
• 3.3.2 密鑰生成率47
• 3.3.3 誘騙態(tài)分析47-50
• 3.4 性能仿真及分析50-53
• 3.4.1 強(qiáng)度監(jiān)控儀的不完美50
• 3.4.2 脈沖標(biāo)記率△50-51
• 3.4.3 有限數(shù)據(jù)長(zhǎng)度51-52
• 3.4.4 仿真結(jié)果及說(shuō)明52-53
• 3.5 本章小結(jié)53-54
• 第四章 QKD系統(tǒng)采集前電路及數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)54-70
• 4.1 非可信源下偏振編碼的MDI-QKD系統(tǒng)簡(jiǎn)介54-55
• 4.2 Charlie端采集前電路設(shè)計(jì)55-59
• 4.2.1 同步電路設(shè)計(jì)55-57
• 4.2.2 脈沖展寬電路設(shè)計(jì)57-58
• 4.2.3 實(shí)現(xiàn)及測(cè)試58-59
• 4.3 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)59-66
• 4.3.1 總體模塊設(shè)計(jì)60-61
• 4.3.2 實(shí)現(xiàn)模塊設(shè)計(jì)61-62
• 4.3.3 采集處理及編碼模塊設(shè)計(jì)62-64
• 4.3.4 串口通信模塊64-66
• 4.4 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)及采集結(jié)果66-70
• 第五章 總結(jié)與展望70-72
• 5.1 工作總結(jié)70
• 5.2 對(duì)未來(lái)工作的建議70-72
• 參考文獻(xiàn)72-78
• 致謝78-80
• 作者簡(jiǎn)介80-81

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