安全量子密鑰分配的實用化研究.pdf

1、從古代的荒蠻時代到如今人們生活的信息時代，對于安全的信息傳輸?shù)男枨鬅o處不在。大至軍事外交小至個人隱私，它都起到至關(guān)重要的作用。經(jīng)典密碼長久以來能夠良好地完成這個目標，但一種重要的問題是，經(jīng)典密碼學的安全性是基于計算復雜度的，比如離散對數(shù)或者大數(shù)分解等困難問題。經(jīng)典密碼學面臨很大的挑戰(zhàn)。特別是現(xiàn)今計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及量子計算機概念的提出，使得人們開始尋找更加安全的信息傳輸方式。
　　 作為量子力學和密碼學的交叉產(chǎn)物，量子密碼學

2、則可以很好地解決上述的問題。量子密碼，或者稱為量子密鑰分配，可以實現(xiàn)分離的兩個用戶Alice和Bob之間通過在量子信道中傳輸量子態(tài)來實現(xiàn)安全密鑰的擴展。相比于經(jīng)典密碼，量子密碼的最大優(yōu)勢就是它的絕對安全性。量子密碼的安全性是基于量子力學的基本原理：不可克隆定律和不確定性原理。只要量子力學的基本原理是正確的，量子密碼的安全性就能得以保證。自從Bennett和Brassard在1984年提出了第一個量子密鑰分配協(xié)議以來，這個全新的領(lǐng)域得到了

3、長足的發(fā)展，并在實際商用通訊系統(tǒng)中的到了應(yīng)用。
　　 在實際應(yīng)用中，量子密鑰分配系統(tǒng)必須為了迎合用戶需求和適應(yīng)現(xiàn)場條件進行改進。本篇博士論文正是以研究量子密鑰分配技術(shù)的實用化為主要內(nèi)容，我們可以將其分為以下三個部分：
　　 1.我們建立了一個結(jié)合主動檢測光強的實際量子密鑰分配系統(tǒng)。實際通訊網(wǎng)絡(luò)中的量子密鑰分配系統(tǒng)的光源多采用商用激光器作為弱相干態(tài)光源。雖然工藝成熟且使用便捷，但輸出光強仍然會有波動，甚至有被竊聽者操控的危

4、險。在這套改進系統(tǒng)中，我們添加了一個主動檢測光強的模塊，利用隨機切換光開關(guān)來進行光強抽樣測量。不僅保證了對于光源屬性的實時測量，也能察覺出竊聽者的攻擊活動。最終的實驗結(jié)果顯示，當總的光強波動被限制在一定范圍內(nèi)時，安全密鑰生成率的減小是很有限的，對最遠的安全傳輸距離同樣影響不大。
　　 2.我們研究了實用的光子數(shù)解析探測器對于量子密鑰分配系統(tǒng)的影響。我們利用光子數(shù)解析探測器和參量下轉(zhuǎn)換光源搭建了標記單光子源，可以通過探測器的不同結(jié)

5、果輸出，將編碼脈沖調(diào)整到不同的亞泊松分布上去。以此為系統(tǒng)的光源，我們分析了BB84和SARG04協(xié)議的被動誘騙態(tài)方案的性能。同時，我們考慮了兩種基于不同原理的光子數(shù)解析探測器，超導量子相變探測器和時分復用探測器。結(jié)果顯示，光子數(shù)解析探測器對于系統(tǒng)的安全傳輸距離以及安全密鑰生成率都有一定的提升。有趣的是，這種提升與光子數(shù)解析探測器的量子效率以及暗計數(shù)關(guān)系不大，這也暗示了現(xiàn)今不完美的光子數(shù)解析探測器在量子密鑰分配系統(tǒng)中的實用性。
　　

6、 3.我們在實際商用通訊光纖網(wǎng)上搭建并試運行成功了七用戶多層級量子密碼城域網(wǎng)。量子密碼技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用模式研究是其實用化進程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此量子密碼網(wǎng)絡(luò)以“法拉第一邁克爾遜”干涉環(huán)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)通訊模塊，能夠保證長時穩(wěn)定的安全密鑰分配。為了提高網(wǎng)絡(luò)通訊效率，我們把網(wǎng)絡(luò)分成了兩個層級：一層是保證高網(wǎng)絡(luò)容量和低信息阻塞率的全時全通主干網(wǎng)；另一層則是為了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴展性，利用光開關(guān)和可信中繼的子網(wǎng)。在這個安全網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)的密鑰，可以用于實