安全量子密鑰分配的實(shí)用化研究.pdf

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

2、則可以很好地解決上述的問(wèn)題。量子密碼，或者稱(chēng)為量子密鑰分配，可以實(shí)現(xiàn)分離的兩個(gè)用戶(hù)Alice和Bob之間通過(guò)在量子信道中傳輸量子態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全密鑰的擴(kuò)展。相比于經(jīng)典密碼，量子密碼的最大優(yōu)勢(shì)就是它的絕對(duì)安全性。量子密碼的安全性是基于量子力學(xué)的基本原理：不可克隆定律和不確定性原理。只要量子力學(xué)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(gè)量子密鑰分配協(xié)議以來(lái)，這個(gè)全新的領(lǐng)域得到了

3、長(zhǎng)足的發(fā)展，并在實(shí)際商用通訊系統(tǒng)中的到了應(yīng)用。
　　 在實(shí)際應(yīng)用中，量子密鑰分配系統(tǒng)必須為了迎合用戶(hù)需求和適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行改進(jìn)。本篇博士論文正是以研究量子密鑰分配技術(shù)的實(shí)用化為主要內(nèi)容，我們可以將其分為以下三個(gè)部分：
　　 1.我們建立了一個(gè)結(jié)合主動(dòng)檢測(cè)光強(qiáng)的實(shí)際量子密鑰分配系統(tǒng)。實(shí)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(qiáng)仍然會(huì)有波動(dòng)，甚至有被竊聽(tīng)者操控的危

4、險(xiǎn)。在這套改進(jìn)系統(tǒng)中，我們添加了一個(gè)主動(dòng)檢測(cè)光強(qiáng)的模塊，利用隨機(jī)切換光開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行光強(qiáng)抽樣測(cè)量。不僅保證了對(duì)于光源屬性的實(shí)時(shí)測(cè)量，也能察覺(jué)出竊聽(tīng)者的攻擊活動(dòng)。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)總的光強(qiáng)波動(dòng)被限制在一定范圍內(nèi)時(shí)，安全密鑰生成率的減小是很有限的，對(duì)最遠(yuǎn)的安全傳輸距離同樣影響不大。
　　 2.我們研究了實(shí)用的光子數(shù)解析探測(cè)器對(duì)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(cè)器和參量下轉(zhuǎn)換光源搭建了標(biāo)記單光子源，可以通過(guò)探測(cè)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(dòng)誘騙態(tài)方案的性能。同時(shí)，我們考慮了兩種基于不同原理的光子數(shù)解析探測(cè)器，超導(dǎo)量子相變探測(cè)器和時(shí)分復(fù)用探測(cè)器。結(jié)果顯示，光子數(shù)解析探測(cè)器對(duì)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(cè)器的量子效率以及暗計(jì)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(cè)器在量子密鑰分配系統(tǒng)中的實(shí)用性。
　　

6、 3.我們?cè)趯?shí)際商用通訊光纖網(wǎng)上搭建并試運(yùn)行成功了七用戶(hù)多層級(jí)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(shí)用化進(jìn)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(zhǎng)時(shí)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(gè)層級(jí)：一層是保證高網(wǎng)絡(luò)容量和低信息阻塞率的全時(shí)全通主干網(wǎng)；另一層則是為了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴(kuò)展性，利用光開(kāi)關(guān)和可信中繼的子網(wǎng)。在這個(gè)安全網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)的密鑰，可以用于實(shí)