量子密鑰分發(fā)實時處理技術(shù)研究.pdf

1、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)是量子物理原理在密碼學領(lǐng)域獲得實用化應(yīng)用最早的一個研究領(lǐng)域。它分發(fā)的密鑰具有“絕對安全”的特性，這個特性來源于量子力學中的不可克隆原理和測量塌縮理論，具有很高的軍事和民用價值。1991年誕生了世界上第一個QKD系統(tǒng)原型，它只是一個簡單的演示系統(tǒng)，由Bennette等人完成。隨后出現(xiàn)更為復(fù)雜和完善的QKD系統(tǒng)，QKD的通訊距離和密鑰生成速率都在不斷的提高。QKD系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)進入到了多用戶互聯(lián)的QKD網(wǎng)絡(luò)時代，而QK

2、D網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也在不停的優(yōu)化和升級當中。當今QKD網(wǎng)絡(luò)的杰出代表有歐洲的SECOQC量子網(wǎng)，日本的東京高速量子網(wǎng)，和中國的全通型量子通話網(wǎng)以及“合肥—六安—舒城”的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
　　QKD系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)進入了高速（高密鑰生成速率）的階段，應(yīng)用最新的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，采用1GHz以上發(fā)射頻率的激光器，使用探測效率極高的超導(dǎo)探測器，獲得成碼率更高的QKD系統(tǒng)。QKD系統(tǒng)實時處理的壓力在于QKD后處理過程，因為它是QKD系統(tǒng)電子學處理

3、延遲最大的模塊。QKD后處理過程是為了消除Alice和Bob密鑰的不同和提高安全性采取一系列操作，它包括四個步驟:基矢比對，身份認證，糾錯和隱私放大。本文以滿足高速Q(mào)KD系統(tǒng)為目標，重點研究了QKD后處理過程中的實時技術(shù)。從實現(xiàn)實時技術(shù)的平臺方面考慮，隨著對QKD系統(tǒng)設(shè)備的小型化和便攜性需求方面的提高，同時結(jié)合近些年發(fā)展迅速的Field Programmable Gate Array(FPGA)技術(shù)，本文重點研究了基于FPGA的QKD實

4、時處理技術(shù)。QKD系統(tǒng)實時處理技術(shù)在硬件內(nèi)的實現(xiàn)具有特定的優(yōu)勢，可以省去QKD設(shè)備和電腦通訊的數(shù)據(jù)帶寬壓力，充分利用后處理過程中的并行潛力提高處理速度。以QKD系統(tǒng)實時處理技術(shù)為主線，本文的研究內(nèi)容包括:高效快速的糾錯算法，高數(shù)據(jù)吞吐量的身份認證和高速數(shù)據(jù)交換的經(jīng)典通道。
　　對于糾錯模塊，我們設(shè)計和實現(xiàn)了兩種不同的方案:基于Winnow的快速糾錯算法和基于LDPC糾錯碼的快速糾錯算法。其中基于Winnow的糾錯算法在糾錯效率和速

5、度方面都有不錯的表現(xiàn)，是我們目前中低速的QKD系統(tǒng)中成功應(yīng)用的算法。而基于LDPC糾錯碼的糾錯算法，糾錯時候只需要交互一次信息，在傳輸延遲大的系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)勢最大，另外它在糾錯效率和速度方面都有可以大幅提升的潛力，是后續(xù)高速Q(mào)KD系統(tǒng)中有望廣泛采用的算法?；赪innow的快速糾錯算法的采用的基本糾錯碼是Hamming碼，從Winnow的基本思想出發(fā)，我們在段長選取，循環(huán)次數(shù)設(shè)置等方面進行優(yōu)化，并且提出了使用雙線性移位寄存器(LFSR)的隨

6、機置換方案，可以獲得和使用真隨機數(shù)一樣的“打亂”效果?；贚DPC糾錯碼的快速糾錯算法采用QC-LDPC作為校驗矩陣，應(yīng)用半串行解碼算法，該算法的算法結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的雙曲函數(shù)運算和乘除運算，適合硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，另外該算法相對于傳統(tǒng)的BP解碼算法可以節(jié)省大部分的存儲資源。在算法結(jié)構(gòu)方面，我們提出了一個新穎的信息鉗位功能函數(shù)，實現(xiàn)簡單，可以極大的提升糾錯性能。
　　對于身份認證模塊，我們實現(xiàn)了基于LFSR的Toeplitz矩陣的身份

7、認證方案。QKD系統(tǒng)的最核心特征是它的“絕對安全”性質(zhì)，基于LFSR的Toeplitz矩陣的身份認證具備“絕對安全”的特性。在模塊設(shè)計和實現(xiàn)方面，對算法結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化，提高并行度以實現(xiàn)速度的提升。該身份認證算法的實質(zhì)是高維度的矩陣乘法，分別從優(yōu)化矩陣乘法行方向和列方向的運算提出了一次并行化結(jié)構(gòu)和二次并行化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高度并行化的身份認證計算模塊。
　　對于高速數(shù)據(jù)交互的經(jīng)典通道，選擇USB3.0作為實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通道的接口總線。該數(shù)據(jù)

8、通道中需要傳輸?shù)腝KD系統(tǒng)的經(jīng)典信息包括:基矢比對信息，糾錯信息，身份認證碼。我們使用Cypress公司生產(chǎn)的FX3芯片作為USB3.0的協(xié)議芯片，應(yīng)用該芯片提供的從FIFO工作模式。設(shè)計了相應(yīng)的固件，在FPGA中設(shè)計了硬件接口模塊，在PC上設(shè)計了客戶端程序，實際測試速率達1.79Gbit/s。
　　文針對處于國際前沿的量子保密通訊中的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)后處理技術(shù)進行探索性研究，研究內(nèi)容包括高效快速的糾錯算法，高數(shù)據(jù)吞吐量的身份認證

9、和高速數(shù)據(jù)交換的經(jīng)典通道，其研究成果將直接提升QKD的后處理性能，并成功用于城域量子通信試驗示范網(wǎng)，并將在應(yīng)用在后續(xù)的城際高速量子通訊網(wǎng)中。選題不僅具有理論研究價值，而且具有實際應(yīng)用價值。
　　本論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　1.針對不同密鑰生成速率，完成了2種不同的實時糾錯方案。對于低速和中速密鑰生成速率，基于Winnow糾錯算法修改完成了一個適合于FPGA的快速并行設(shè)計，并成功應(yīng)用于城域量子通信試驗示范網(wǎng);對于高速及超高速

10、密鑰生成速率，進行了基于LDPC糾錯碼的快速糾錯算法的研究，完成了基于QC-LDPC使用串行解碼算法的硬件解碼器，能適應(yīng)于GHz發(fā)射頻率的QKD系統(tǒng)中。
　　2.針對QKD的安全性要求，開展了實時身份認證技術(shù)的研究，實現(xiàn)了適合于FPGA實現(xiàn)的基于LFSR的Toeplitz矩陣的身份認證方案，該方案具有“絕對安全”和高度并行化的特性，并成功應(yīng)用于量子保密通訊試驗網(wǎng)。
　　3.針對高速量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，大量經(jīng)典數(shù)據(jù)實時交互的需