測量設備無關量子密鑰分配的實用化研究.pdf

1、在當今的信息社會，信息安全的重要性不言而喻。小到個人隱私，大到政務，金融，以至于國防，都與其息息相關。尤其是在信息科技飛速發(fā)展的今天，如何確保信息存儲與傳輸?shù)陌踩?，已然成為一個意義異常重大的課題。
　　然而，目前被廣泛應用的公鑰密碼體制基于復雜的數(shù)學問題，其安全性首先并未得到嚴格證明。而且隨著二十世紀末量子信息技術的發(fā)展，特別是量子計算技術的研究與進展，對此類數(shù)學密碼的安全性提出了新的挑戰(zhàn)。為了應對新世紀的信息安全威脅，一種基于量

2、子物理規(guī)律的新型密碼學類型，量子密碼學，由C.H.Bennet和G.Brassard于1984年提出，并逐漸得到世界范圍內(nèi)廣泛的研究與應用。量子密碼學的基本原理即是在量子物理定律約束的條件下，利用量子態(tài)的特殊性質，合法通信方能夠容忍、檢測并剔除竊聽者在傳輸信道中任意可能的竊聽，解決了遠距離通信方之間密鑰分配的難題。結合已被證明理論上絕對安全的“一次一密”加密方案，則可以構建理論上無條件安全的保密通信系統(tǒng)。
　　相較于數(shù)學密碼，量子

3、密碼學建立在物理系統(tǒng)之上，其理論上的“絕對安全性”受限于實際材料、器件的非完美特性，以及制備、測量過程中的偏差等不可避免的現(xiàn)實因素，使得量子密鑰分配系統(tǒng)的實際安全性研究成為其實用化過程中至關重要的部分。
　　測量設備無關量子密鑰分配協(xié)議(MDI QKD)，作為目前可實地部署的安全性最高的量子密鑰分配協(xié)議，可以自然地抵御所有可能的針對測量端的攻擊，避免了大部分實際安全隱患。所以自從提出以來，MDI QKD便受到了廣泛的關注與研究。從

4、目前的研究現(xiàn)狀來看，主要有兩個方面。第一，由于MDI QKD協(xié)議對實驗系統(tǒng)提出了更高的要求，所以如何實現(xiàn)穩(wěn)定、高速的MDI QKD部署則成為了一個關鍵的問題。第二，由于MDI QKD系統(tǒng)的安全性仍然要求完美的量子態(tài)制備，所以對系統(tǒng)的實際安全性，特別是光源安全性的研究便尤為重要。本文以MDI QKD的實用化為主要內(nèi)容，針對以上兩個方面，完成了包括測量設備無關類量子密鑰分配協(xié)議的實驗研究，器件非完美性分析和真隨機數(shù)研究等，主要研究成果概括如

5、下:
　　1.針對實際量子密鑰分配系統(tǒng)的測量端設備易受攻擊以及通信雙方編解碼參考系需要時常校準的問題，我們設計并實現(xiàn)了參考系測量設備雙無關量子密鑰分配系統(tǒng)。該系統(tǒng)在免疫針對探測端所有可能的攻擊的情況下，有效降低了通信者之間對參考系校準的要求，避免了在參考系校準過程中引入額外的系統(tǒng)開銷或者安全隱患，有效提升了測量設備無關量子密鑰分配技術在復雜網(wǎng)絡環(huán)境下的可用性。
　　2.針對編碼光脈沖在實地光纖信道中的偏振敏感問題，我們在發(fā)送

6、端增加主動擾偏裝置，在測量端采用偏振態(tài)分離探測結構，設計并實驗驗證了環(huán)境魯棒型測量設備無關方案。通過摒棄測量設備無關協(xié)議執(zhí)行過程中的主要參考系校準過程，該方案同時消除了通信雙方編碼量子態(tài)相位漂移以及信道偏振擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，保障系統(tǒng)在復雜實地條件以及多用戶網(wǎng)絡環(huán)境下的魯棒性，并且有效避免了參考系校準過程引入的潛在安全性漏洞，并進一步降低了測量設備無關量子密鑰分配系統(tǒng)在實際使用環(huán)境下的資源消耗，提高了多節(jié)點網(wǎng)絡的部署效率。

7、>　　3.針對測量設備無關系統(tǒng)中的光源安全性問題，我們利用傳統(tǒng)QKD系統(tǒng)中舍棄的基不匹配信息，實現(xiàn)了無需編碼監(jiān)測的測量設備無關量子密鑰分配實驗系統(tǒng)。該方案可以在無需對編碼態(tài)誤差進行監(jiān)測的前提下，有效估計量子態(tài)制備非完美情況下的竊聽者信息量，從而避免了對量子態(tài)制備及其監(jiān)測誤差的估計。此外，該方案不對原始測量設備無關量子密鑰分配系統(tǒng)進行更改，提高了系統(tǒng)的實際安全性，避免了額外的資源消耗，更加適用于真實使用環(huán)境。
　　4.為了構建穩(wěn)定、

8、高效的測量設備無關量子密鑰分配系統(tǒng)，其核心組成部分Hong-Ou-Mandel干涉特性需要進行嚴格分析。針對該問題，我們構建了相關分析模型，對多種實際器件非完美特性進行綜合考量，指出APD探測器的后脈沖效應將會對最終的干涉可見度有顯著的作用，并將最終影響測量設備無關系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。該工作為Hong-Ou-Mandel干涉的實際應用及測量設備無關量子密鑰分配系統(tǒng)的分析與設計具有指導意義。
　　5.在量子密鑰分配系統(tǒng)中，理想、可信的真