【摘要】：量子密碼學(xué)是量子信息中的一個重要研究分支,它利用量子力學(xué)的物理原理—量子不可克隆定理與測不準(zhǔn)原理,在理論上實(shí)現(xiàn)了無條件安全的保密通信。而隨著當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)信息的日益發(fā)展,信息安全的重要性也日益凸顯,這使得量子密碼學(xué)受到各方的高度關(guān)注,成為當(dāng)前社會普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。當(dāng)前,量子密鑰分發(fā)主要有兩大類:基于離散變量的量子密鑰分發(fā)和基于連續(xù)變量的量子密鑰分發(fā)。雖然基于單光子類協(xié)議的離散變量技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已逐步趨于成熟,取得重大進(jìn)展,但是由于在單光子態(tài)的制備和檢測方面存在很大技術(shù)難題,而連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)是將信息編碼在光場的正則分量上,信息的載體是連續(xù)變量,從而解決了離散變量類協(xié)議在單光子方面的技術(shù)難題,這使得連續(xù)變量類協(xié)議成為其更為有效的替代方案。本文以相干態(tài)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)為研究點(diǎn)來展開,主要包括三方面的內(nèi)容:1.利用光參量放大器提升存在器件噪聲時中間糾纏源連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的安全傳輸距離。為提升存在器件非理想特性時系統(tǒng)的安全碼率與最大傳輸距離,本文提出在接收端添加光放大器對信號進(jìn)行放大,通過協(xié)方差矩陣的變換,推導(dǎo)了系統(tǒng)在集體攻擊反向協(xié)調(diào)下的安全碼率表達(dá)式。并進(jìn)行實(shí)際參數(shù)的數(shù)值模擬,結(jié)果表明,在合適參數(shù)的選擇下,光放大器的使用能夠提升系統(tǒng)的最大傳輸距離。2.分析了光參量放大器對于自參考連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)協(xié)議中相位噪聲的影響。自參考連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)協(xié)議由于參考脈沖與相位脈沖的不匹配,會引入一定相位噪聲,降低了系統(tǒng)性能。本文通過在接收端添加放大器,詳細(xì)分析了放大器對相位噪聲的影響,推導(dǎo)了系統(tǒng)在集體攻擊反向協(xié)調(diào)下的安全碼率表達(dá)式,基于實(shí)際數(shù)值的仿真表明,在合適參數(shù)的選擇下,加入放大器能夠補(bǔ)償自參考連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的相位噪聲,從而有效提升系統(tǒng)的最大傳輸距離。3.提出了一種通過連續(xù)變量將量子密鑰分發(fā)與私有經(jīng)典通信相結(jié)合的方案。為實(shí)現(xiàn)量子通信和經(jīng)典通信的并行傳輸,本文提出利用相干態(tài)的正則分量,對經(jīng)典比特數(shù)和高斯隨機(jī)數(shù)進(jìn)行編碼,通過特定的約定方法,實(shí)現(xiàn)兩者的同時傳輸。經(jīng)過實(shí)際的數(shù)值仿真,結(jié)果表明通過這種方法可以安全地實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)和經(jīng)典通信的并行傳輸。
【學(xué)位授予單位】：貴州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN918.4;O413
【圖文】：

圖 1-1RSA 加密體制工作流程RSA 加密算法的確解決了對稱加密算法中加密密鑰的傳輸問題，但從其實(shí)現(xiàn)原理上講，RSA 并不是不可破解的。原因在于 RSA 算法從根本上來說是基于一個復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，即大整數(shù)的分解問題，其安全性程度取決于這個大整數(shù)的長度。那么也就是說，只要能夠分解這個大整數(shù)，也就意味著這個加密被破解了。而事實(shí)證明，該加密算法的確是可被破譯的，目前，我們能夠破解的最長 RSA 密鑰是 768 位。雖然這個過程很艱難，但至少證明了 RSA 并不是絕對安全的。特別是隨著一些量子算法的提出以及量子計算機(jī)的發(fā)展，RSA 的安全性受到更大的威脅，這也就意味著我們目前普遍依賴的加密體制將迎來更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。1.2 量子密鑰分發(fā)概述19 世紀(jì)末，經(jīng)典物理理論已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)完善的地步，但物理學(xué)家們逐步發(fā)現(xiàn)運(yùn)用經(jīng)典物理論無法解釋一些實(shí)驗(yàn)問題，例如黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等，于是經(jīng)過一大批物理學(xué)界偉人的努力，于 20 世紀(jì)初創(chuàng)立了量子力學(xué)，這才得以解釋一些經(jīng)典物理論無法解釋的微觀現(xiàn)象。經(jīng)過百年來的發(fā)展，量子力學(xué)體系更加完善，由其衍生出的應(yīng)用也更加廣泛。而量子保密通信正是量子力學(xué)一

極大提高了密鑰傳輸率[12]。由于實(shí)際情況中，壓縮態(tài)的制備仍然存在極大技術(shù)困難在隨后 2002 年，法國法布里實(shí)驗(yàn)室研究者 F.Grosshans 和 P.Grangier 共同提出了基于高斯調(diào)制相干態(tài)的零拍探測協(xié)議，即 GG02 協(xié)議[13]。該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)由于只需要用到光纖通信中的常用器件，從而大大降低了 QKD 實(shí)現(xiàn)對于設(shè)備器件的要求。該協(xié)議問世伊始，針對協(xié)議中正向協(xié)調(diào) 3dB 傳輸距離的限制，F(xiàn).Grosshans 等人又提出以接收方數(shù)據(jù)為基點(diǎn)修正發(fā)送方數(shù)據(jù)的反向協(xié)調(diào)算法，成功的突破了 3dB 限制[14]。2004 年，C. Weedbrook 等人又提出相干態(tài)外差探測協(xié)議[15]，相比于 GG02 協(xié)議，它們采用的信源都是高斯調(diào)制相干態(tài)，不同點(diǎn)在于接收端采用的是外差探測，而不再需要隨機(jī)選擇測量基，因?yàn)樗梢酝瑫r測量相干態(tài)的兩個正交分量，這無疑效率會高出一倍。由于 GG02 協(xié)議的首次實(shí)驗(yàn)是基于自由空間傳輸來實(shí)現(xiàn)的，因而實(shí)用性非常有限。2005 年，首個基于光纖傳輸?shù)拿荑�分發(fā)方案由法布里實(shí)驗(yàn)室的 J.Lodewyck等人提出[16]。2007 年，J.Lodewyck 等人共同搭建了較為完備的 CV-QKD 試驗(yàn)系統(tǒng)，成功將傳輸距離延長至 25km，并且安全碼率高達(dá) 2kb/s[17]，其系統(tǒng)模型圖如圖 1-2 所示。

圖 1-3 文獻(xiàn)[15]中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖受多方面因素影響，國內(nèi)針對 CV-QKD 的實(shí)驗(yàn)研究起步較晚，但在短短幾年的時間里也取得不少成果。2011 年，上海交通大學(xué)的曾貴華小組搭建了基于高斯調(diào)制相干態(tài)的 CV-QKD 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在 27.2km 的光纖信道中能夠獲得高達(dá)3.9kb/s 的安全碼率[20]。2013 年，山西大學(xué)彭X墀等人實(shí)現(xiàn)了四態(tài)協(xié)議的光纖傳輸 CV-QKD，其傳輸距離為 30.2km[21]。2015 年和 2016 年，曾貴華研究小組分別發(fā)表了傳輸距離為 50km[22]和超過 100km[23]的 CV-QKD 實(shí)驗(yàn)研究。2017 年，北京郵電大學(xué)小組完成了 CV-QKD 系統(tǒng)在商業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)上的外場實(shí)驗(yàn)[24]，安全距離達(dá)到 50 公里。CV-QKD 協(xié)議的發(fā)展要落后于 DV-QKD 近 20 年，從第一個 CV-QKD 協(xié)議誕生到現(xiàn)在，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)大多都以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和系統(tǒng)性能改進(jìn)為主。不管如何，QKD 的發(fā)展已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展和突破，在不久的將來，它將成為所有通信保密手段中最實(shí)用同時也是最安全的技術(shù)，也將成為世界各國在信息安全領(lǐng)域競相角逐的焦點(diǎn)之一。1.4 論文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)

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本文編號：2756062