量子密鑰分配網絡的協議和機制.pdf

1、量子密鑰分配(QuantumKeyDistribution，QKD)能夠在兩個遠程實體Alice、Bob之間絕對安全的共享密鑰，這個過程依靠的是量子力學的物理定律而不是通常密鑰分配所依賴的計算復雜度，從而讓密碼系統(tǒng)的安全性提高到了一個新的高度。迄今為止，QKD在理論上和實驗上都取得了很大的進展，世界上眾多研究小組研制的實際系統(tǒng)無論密鑰傳輸速率、傳輸距離還是系統(tǒng)穩(wěn)定性方面都有了大的突破，而少數公司也開始提供商業(yè)的點到點QKD設備。

2、 QKD網絡是未來QKD向多用戶、高速率、長距離發(fā)展的必然趨勢。正因為其重要性，近年來美歐日等國家都不約而同的加大了對QKD網絡的投入和研究，近年來也提出了不少的網絡方案。然而，QKD網絡在理論架構上一直沒有系統(tǒng)的研究，從而影響了其進一步的發(fā)展。本文首次系統(tǒng)的研究QKD網絡的特點，其主要內容如下： 1.將目前已經提出的各種QKD網絡方案進行分類研究，首次按照實現的不同特點將其明確的劃分為信任中繼網絡(TRN-QKD)、無源光器件

3、網絡(PON-QKD)和量子糾纏網絡(QEN-QKD)，分別進行討論。 2.針對信任中繼網絡中信任節(jié)點可能會被攻擊而使得網絡不可靠的情形，我們提出了節(jié)點安全概率模型，在此基礎上采用多路徑秘密共享以及隨機路由的方案在很大概率上可以保證網絡在該情形下的安全性，計算結果也證明了該方案的明顯效果；針對密鑰生成速率與加密數據的速率可能不同步，建立了信任中繼網絡排隊模型，采用預緩沖策略改善其延時性能；最后參考經典網絡編碼的理論，我們也對信任

4、中繼網的多用戶密鑰共享情況下的網絡編碼進行了移植。 3.歸納總結了采用各種無源光器件構成的網絡，包括了分束器網絡、光開關網絡和波分復用網絡、波長總線網絡、波長路由網絡等。關于這類網絡已經有很多實驗方案，但尚沒有統(tǒng)一的評價標準和分析方法。本文第一次給出了對一般無源光器件網絡具有普適性的網絡評價指標體系的初級模型，提出包括網絡容量、網絡連通度、網絡成本模型包括終端用戶成本和網絡路由的成本等指標。以此對五種常見PON-QKD的性價比進

5、行了橫向比較。 4.針對以一般糾纏態(tài)為基礎的量子糾纏網絡，我們著重考慮任意兩個用戶之間由一般糾纏態(tài)轉換到最大糾纏態(tài)的概率(SingletConversionProbability，SCP)，這個概率也代表了密鑰建立的成功概率。在單個量子復發(fā)器(QuantumRepeater)的情況下，給出糾纏保留的最佳策略，并將其推廣到1維量子糾纏鏈。對于2維量子糾纏網絡，在兩用戶相隔距離不是太遠的情況下，采用多路徑糾纏方案可以很好的提高最終S

6、CP概率。而在距離比較遠的情況下，我們應用經典渝滲理論的概念，利用量子渝滲過程，讓SCP基本等于渝滲概率的平方，從而不受距離的影響。我們也提出了量子糾纏網絡的漸進性渝滲和各向異性渝滲概念。 5.分析了在經典光網絡下，經典噪聲給QBER帶來的影響。在QKD與經典網絡的結合方面，針對當前廣泛使用的Internet和虛擬專用網(VitualPrivateNetwork，VPN)技術，首次明確給出了QKD在PPP隧道技術和IPSec協議