高速測量設備無關量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的集成化研究
發(fā)布時間：2022-01-03 06:19
量子通信是利用量子物理原理,來實現(xiàn)量子信息處理與傳遞的一門學科。它的一個重要研究方向是量子加密技術,該技術可以保護通信雙方的信息不被第三者竊聽。而量子加密技術中最著名應用的是量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution,QKD）,該技術已經(jīng)實現(xiàn)商用化。QKD的安全性由量子物理正確性來保證,即量子不可克隆原理——任何未知的量子態(tài)都不能被精確復制。自1984年,由Bennett和Brassard提出的BB84協(xié)議開始,QKD的理論安全性與實驗研究都有了長足的發(fā)展,其中的代表性工作包括,GLLP（Gottesman-Lo-Lutkenhaus-Preskill,以提出者首字母命名）框架,誘騙態(tài)協(xié)議,測量設備無關 QKD（measurement-device-independent QKD,MDI-QKD）,“京滬干線”量子通信網(wǎng)絡以及“墨子號”量子衛(wèi)星等等。而未來亟需解決的是QKD網(wǎng)絡的實用化問題。首先是現(xiàn)實的安全性問題,其次是如何實現(xiàn)距離更遠,碼率更高,成本更低的QKD網(wǎng)絡。現(xiàn)有QKD網(wǎng)絡是基于可信中繼來實現(xiàn)的,可信中繼存在被竊聽者攻擊甚至控制的風險,這將帶來安全性隱患。...
【文章來源】：中國科學技術大學安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：135 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１非對稱加密過程
引了許多的研宄努力，并將ＱＫＤ從實驗室的初步想法帶到了實際應用中。ＱＫＤ??允許兩個合法的用戶（通常稱為Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ）在存在竊聽者（通常稱為Ｅｖｅ）的??情況下能安全地進行通信。經(jīng)典密碼協(xié)議的安全性是基于未經(jīng)證實的計算假設，??與之相反，ＱＫＤ的無條件安全性依賴于量子物理學的基本定律。下面將介紹幾??種主要的ＱＫＤ協(xié)議及其安全性。??１．２．１?ＢＢ８４?協(xié)議??ＢＢ８４協(xié)議是第一個被提出的也是最常見的ＱＫＤ協(xié)議，它以發(fā)明者Ｂｅｎｎｅｔｔ??和Ｂｒａｓｓａｒｄ的名字命名。如圖１．２所示，它是一種制備－測量框架下的協(xié)議，其中??一方（例如Ａｌｉｃｅ）通過制備量子態(tài)來進行編碼，另一方（例如Ｂｏｂ）對這些量??子態(tài)進行測量。下面我們將描述使用光子的偏振進行編碼的ＢＢ８４?ＱＫＤ協(xié)議過??程。（光子的其他自由度（如相位）也能用于編碼，且過程類似。）??Ｂｏｂ??Ｈ／Ｖ?Ｂａｓｉｓ??Ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ?ＡＵｃｅ??Ｈｏｎ，ｏ？ｔａ，－Ｖｅｒｔｉｃａｌ?＾?＾?＾??Ｄｋｇｏｎａｌ（＾＋４５°）?＼?＾??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ａｌｉｃｅ＇ｓ?Ｂｉｔ?Ｓｅｑｕｅｎｃｅ?１１?１００１００１０１０??Ｂｏｂ＇ｓ?Ｂａｓｅｓ??Ｂｏｂ＇ｓ?Ｒｅｓｕｌｔｓ?０?１０－０１１１１－?１?〇??ＫＬ？ｙ?－?１?－?－?０１?－?－?１?－?１０??圖１．２?ＢＢ８４協(xié)議示意圖。以偏振編碼為例，Ａｌｉｃｅ在兩個正交基矢下隨機發(fā)送４種偏??振態(tài)。Ｂｏｂ隨機選擇一個基矢做測量。根據(jù)基矢比對結果，進行篩眩圖片來源：??ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｑｔｕｍｉｓｔ．ｃｏｍ／ｐｏｓｔ／２１７８ｏ??２??
?第２章量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全性???表２．１?Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ的比特翻轉操作，??￣?投影到投影到??Ｚ基矢?比特翻轉?比特翻轉??Ｘ基矢?比特翻轉?比特不翻轉??ｆ?Ｃｈａｒｌｉｅ?ＢＳＭ??Ｄ１Ｈ?Ｄ２ｈ??Ｄｉｖ?ｊＡＪＡｉ?〇２Ｖ??＾?ＢＳ?Ｎ?－ｙ￣??圖２．１偏振編碼的ＭＤＩ－ＱＫＤ裝置??２．３．２協(xié)議的安全性??ＭＤＩ－ＱＫＤ的安全性證明是基于時間反演的ＥＰＲ量子密鑰分發(fā)協(xié)議［１２（Ｍ２１】??和誘騙態(tài)協(xié)議［４８，５（），１６６］的。利用誘騙態(tài)協(xié)議，八１＾和８〇１３可以得到單光子態(tài)所??貢獻的“增益”（ｇａｉｎ）和ＱＢＥＲ。在討論ＭＤＩ－ＱＫＤ的安全性時，我們需要考慮??一個虛擬的協(xié)議：Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ不再制備單光子的ＢＢ８４量子態(tài)，而是各自制備??如下的ＥＰＲ量子態(tài)：??＋ｘ?＼Ｈ）ａ＼Ｖ）ａ，?＋?＼Ｖ）ａ＼Ｈ）ａ，??Ｗ＋）ａａ＇?＝?＇?（２－１４）??＼／２??，．．．＋、?＼Ｈ）ｂ＼Ｖ）ｂ，?＋?＼Ｖ）ｂ＼Ｈ）ｂ，??１＾?）ｂｂ＇?＝?７??（２．１５）??＼／２??其中下標Ａ和５＇表示在Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ端的虛擬系統(tǒng)，通過對Ａ＇和皮系統(tǒng)的??測量，Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ決定最終編碼的量子態(tài)，并將４和系統(tǒng)發(fā)送到Ｃｈａｒｌｉｅ端??進行ＢＳＭ。在這個過程中，Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ可以將他們的虛擬量子比特保存在一個??量子存儲器中，他們可以將對于虛擬量子比特的測量推遲到Ｃｈａｒｌｉｅ宣布他獲得??一次成功的探測事件之后。在這里我們只討論了?Ｃｈａｒｌｉｅ得到結果為｜ｖ／＋＞的情??況，而對于Ｃｈａｒｌｉｅ得到結果為丨少―〉的分析是類似的。Ｃｈａ
本文編號：3565739
【文章來源】：中國科學技術大學安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：135 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１非對稱加密過程
引了許多的研宄努力，并將ＱＫＤ從實驗室的初步想法帶到了實際應用中。ＱＫＤ??允許兩個合法的用戶（通常稱為Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ）在存在竊聽者（通常稱為Ｅｖｅ）的??情況下能安全地進行通信。經(jīng)典密碼協(xié)議的安全性是基于未經(jīng)證實的計算假設，??與之相反，ＱＫＤ的無條件安全性依賴于量子物理學的基本定律。下面將介紹幾??種主要的ＱＫＤ協(xié)議及其安全性。??１．２．１?ＢＢ８４?協(xié)議??ＢＢ８４協(xié)議是第一個被提出的也是最常見的ＱＫＤ協(xié)議，它以發(fā)明者Ｂｅｎｎｅｔｔ??和Ｂｒａｓｓａｒｄ的名字命名。如圖１．２所示，它是一種制備－測量框架下的協(xié)議，其中??一方（例如Ａｌｉｃｅ）通過制備量子態(tài)來進行編碼，另一方（例如Ｂｏｂ）對這些量??子態(tài)進行測量。下面我們將描述使用光子的偏振進行編碼的ＢＢ８４?ＱＫＤ協(xié)議過??程。（光子的其他自由度（如相位）也能用于編碼，且過程類似。）??Ｂｏｂ??Ｈ／Ｖ?Ｂａｓｉｓ??Ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ?ＡＵｃｅ??Ｈｏｎ，ｏ？ｔａ，－Ｖｅｒｔｉｃａｌ?＾?＾?＾??Ｄｋｇｏｎａｌ（＾＋４５°）?＼?＾??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ａｌｉｃｅ＇ｓ?Ｂｉｔ?Ｓｅｑｕｅｎｃｅ?１１?１００１００１０１０??Ｂｏｂ＇ｓ?Ｂａｓｅｓ??Ｂｏｂ＇ｓ?Ｒｅｓｕｌｔｓ?０?１０－０１１１１－?１?〇??ＫＬ？ｙ?－?１?－?－?０１?－?－?１?－?１０??圖１．２?ＢＢ８４協(xié)議示意圖。以偏振編碼為例，Ａｌｉｃｅ在兩個正交基矢下隨機發(fā)送４種偏??振態(tài)。Ｂｏｂ隨機選擇一個基矢做測量。根據(jù)基矢比對結果，進行篩眩圖片來源：??ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｑｔｕｍｉｓｔ．ｃｏｍ／ｐｏｓｔ／２１７８ｏ??２??
?第２章量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全性???表２．１?Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ的比特翻轉操作，??￣?投影到投影到??Ｚ基矢?比特翻轉?比特翻轉??Ｘ基矢?比特翻轉?比特不翻轉??ｆ?Ｃｈａｒｌｉｅ?ＢＳＭ??Ｄ１Ｈ?Ｄ２ｈ??Ｄｉｖ?ｊＡＪＡｉ?〇２Ｖ??＾?ＢＳ?Ｎ?－ｙ￣??圖２．１偏振編碼的ＭＤＩ－ＱＫＤ裝置??２．３．２協(xié)議的安全性??ＭＤＩ－ＱＫＤ的安全性證明是基于時間反演的ＥＰＲ量子密鑰分發(fā)協(xié)議［１２（Ｍ２１】??和誘騙態(tài)協(xié)議［４８，５（），１６６］的。利用誘騙態(tài)協(xié)議，八１＾和８〇１３可以得到單光子態(tài)所??貢獻的“增益”（ｇａｉｎ）和ＱＢＥＲ。在討論ＭＤＩ－ＱＫＤ的安全性時，我們需要考慮??一個虛擬的協(xié)議：Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ不再制備單光子的ＢＢ８４量子態(tài)，而是各自制備??如下的ＥＰＲ量子態(tài)：??＋ｘ?＼Ｈ）ａ＼Ｖ）ａ，?＋?＼Ｖ）ａ＼Ｈ）ａ，??Ｗ＋）ａａ＇?＝?＇?（２－１４）??＼／２??，．．．＋、?＼Ｈ）ｂ＼Ｖ）ｂ，?＋?＼Ｖ）ｂ＼Ｈ）ｂ，??１＾?）ｂｂ＇?＝?７??（２．１５）??＼／２??其中下標Ａ和５＇表示在Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ端的虛擬系統(tǒng)，通過對Ａ＇和皮系統(tǒng)的??測量，Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ決定最終編碼的量子態(tài)，并將４和系統(tǒng)發(fā)送到Ｃｈａｒｌｉｅ端??進行ＢＳＭ。在這個過程中，Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ可以將他們的虛擬量子比特保存在一個??量子存儲器中，他們可以將對于虛擬量子比特的測量推遲到Ｃｈａｒｌｉｅ宣布他獲得??一次成功的探測事件之后。在這里我們只討論了?Ｃｈａｒｌｉｅ得到結果為｜ｖ／＋＞的情??況，而對于Ｃｈａｒｌｉｅ得到結果為丨少―〉的分析是類似的。Ｃｈａ
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