高速量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)電子學(xué).pdf

1、保密通訊是一項重要的技術(shù)，有著廣泛的用途，對國家信息安全意義重大。從很早的時候人們就開始探索將信息隱藏以防止他人竊聽的方法，直到近代才逐漸成為嚴(yán)格的體系。目前的密碼體系有兩種，對稱加密體系和非對稱機(jī)密體系。這兩種加密方式理論上來講都是有可能破解的，破解的難度和其使用的算法復(fù)雜度有關(guān)。隨著高性能計算的發(fā)展、分布式計算的興起和新式計算機(jī)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)密碼體系的安全性令人擔(dān)憂。
　　 一次一密(One Time Pad)密碼術(shù)是一種理論

2、上絕對無法破解的加密算法，但它對密鑰分發(fā)的過高要求使得其長期無用武之地，人們也對這種算法也一直“渴”望而不可及。直到量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution，QKD)的出現(xiàn)，與之結(jié)合，得以實現(xiàn)絕對安全的加密方法。
　　 量子密鑰分發(fā)使用具有某種隨機(jī)量子態(tài)的單光子或近乎單光子的光脈沖通過一定的協(xié)議來傳遞密鑰，量子力學(xué)的基本原理決定了如果在密鑰分發(fā)中有竊聽者存在，那么通訊雙方一定能夠發(fā)現(xiàn)他。因為關(guān)系到信息安全這

3、個重大的課題，自從1984年提出以來，量子密鑰分發(fā)一直受到人們格外的關(guān)注，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前在國外已經(jīng)開始走向?qū)嵱?。國?nèi)也有一定進(jìn)展，但相對國外差距還比較大。
　　 量子密鑰分發(fā)是一個復(fù)雜的過程。在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，除了基本的光學(xué)器件外，還需要一套電子學(xué)，它的工作做包括但不限于以下：控制光學(xué)器件進(jìn)行量子態(tài)交互，完成原始密鑰分發(fā)；對原始密鑰進(jìn)行對基、糾錯、保密放大等；管理安全密鑰，提供密鑰服務(wù)；校準(zhǔn)系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)等等。這是

4、一套復(fù)雜的系統(tǒng)，國內(nèi)的量子密鑰分發(fā)發(fā)展不夠，其配套電子學(xué)是其中一個很大的制約因素。有鑒于此，我們對量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)電子學(xué)做了深入的研究，研制了一套高速量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的電子學(xué)。
　　 電子學(xué)包括硬件和軟件(Qkeg)，硬件部分采用子母板結(jié)構(gòu)，又包含QKD子板和嵌入式系統(tǒng)母板。
　　 QKD子板根據(jù)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生高精度的電平，控制系統(tǒng)中的光學(xué)器件調(diào)制光子，制備、傳輸并測量光子的量子態(tài)，生成原始的密鑰，然后將密鑰傳送給母板。子

5、板上設(shè)計有大容量DDR和網(wǎng)絡(luò)、USB2.0等豐富的接口。
　　 嵌入式系統(tǒng)母板包含CPU、內(nèi)存、硬盤(CF卡)、多個網(wǎng)口等，是一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)。母板運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，安裝有文件系統(tǒng)，Qkeg軟件運(yùn)行于其上。我們?yōu)镼KD子板編寫了驅(qū)動，軟件通過驅(qū)動實現(xiàn)對子板的控制，完成量子密鑰分發(fā)的過程。生成的安全密鑰存儲在母板上，母板通過其對內(nèi)的網(wǎng)口對內(nèi)部主機(jī)提供密鑰服務(wù)。
　　 Qkeg軟件控制著QKD系統(tǒng)的運(yùn)行。它需要完成

6、的工作是：對通訊雙方身份驗證，控制硬件運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，對原始密鑰對基、糾錯、保密放大，管理安全密鑰，提供密鑰服務(wù)等等。
　　 受單光子探測器工作頻率的限制，我們的電子學(xué)最終的運(yùn)行在20MHz。在這種工作頻率下我們在20Km的光纖中實現(xiàn)了4.91kbps的安全密鑰生成率，誤碼率在2.95％。我們的電子學(xué)體積小，使用方便，性能良好，利于QKD系統(tǒng)的工程化實現(xiàn)。
　　 目前這套電子學(xué)通過調(diào)試安裝，已經(jīng)交付使用。在次工作基礎(chǔ)