基于量子物理学的量子保密通信,利用量子信息技术在通信双方之间建立安全密钥,然后再将密钥用于保护通信数据的方案,从而达到保密通信的目的,具有更高的安全性,引起了密码学上的高度重视,被认为是未来发展潜力巨大的一种保密通信。量子密钥分发（QKD）,作为量子保密通信的关键技术,是量子密码学中重要的一个研究方向。QKD以量子态为信息载体,依据量子力学的“量子不可克隆定理”和“海森堡测不准原理”,确保密钥的不可窃听和不可破解,在通信双方之间共享安全的随机密钥。它克服了经典加密技术的安全隐患,是被严格证明、能够从原理上保证无条件安全的密钥分发技术。QKD技术发展至今,在实际应用方面还存在光源设备、系统探测设备和系统性能不够理想等多方面的问题。本论文从信息编码角度研究QKD系统中使用脉冲位置调制和多自由度量子态编码、从非理想光源角度研究实际光源可信度问题和光源精确可控问题,提出了四种改进的量子密钥分发协议,以提高QKD系统的性能,具体内容和创新点如下:（1）提出基于脉冲位置调制的测量设备无关量子密钥分发协议。鉴于常用的弱相干光源存在单光子脉冲比例少的问题,在测量设备无关量子密钥分发协议（MDI-QKD）模型基础上,将脉冲位置调制（PPM）技术引入到MDI-QKD协议的数据后处理的过程中,研究了基于脉冲位置调制的测量设备无关量子密钥分发（PPM-MDI-QKD）协议。该协议将空脉冲和单光子脉冲结合,充分利用弱相干光源中的空脉冲,利用单光子脉冲的位置实现高维编码。结果表明该协议可以有效地提高系统最终的安全密钥率。（2）提出基于偏振-相位的多自由度的量子密钥分发协议。将光子同时可以具有多个自由度上的量子态特性引入到QKD协议中,研究了利用多个自由度上量子态混合编码的量子密钥分发协议。协议中选取量子通信中常用的偏振和相位两个自由度,结合不需要监控信号干扰的循环差分相移量子密钥分发（RRDPS-QKD）,建立了基于偏振-循环差分相移的量子密钥分发协议模型。此协议通过利用偏振和相位两种自由度上的量子态进行混合编码,使得光子携带的信息量突破单自由度单比特信号的局限,从而提高了QKD系统的密钥率。（3）提出基于不可信光源的即插即用循环差分相移量子密钥分发协议。量子密钥分发在实际实现时,存在物理设备环境影响所产生的波动以及传输光线的双折射效应等干扰因素,会破坏RRDPS-QKD协议中依赖的可信光源假设,导致QKD系统的安全性受到威胁。为克服该问题,研究了即插即用的RRDPS-QKD协议。该协议通过双向传输对信道的双折射效应进行自我补偿方案,建立可使用不可信光源的即插即用RRDPS-QKD协议模型,避免了对光源的可信假设,使得RRDPS-QKD具有更大的实用意义。（4）研究具有光源错误的循环差分相移量子密钥分发协议。量子密钥分发在实际实现时,实际光源具有误差会对量子密钥分发系统性能产生影响,而当前关于RRDPS-QKD协议的研究缺少对光源具有错误情况下的性能分析,为弥补该不足,本文研究了具有光源错误的RRDPS-QKD协议。考虑实际光源波动,结合诱骗态方法,推导出基于光源波动参数的通用计数率的估计公式,并给出系统安全密钥率的通用估算公式。该研究内容使得分析得到的性能更加符合实际情况。
基本信息
| 题目 | 多自由度和非理想光源场景下量子密钥分发协议研究 |
| 文献类型 | 博士论文 |
| 作者 | 毛钱萍 |
| 作者单位 | 南京邮电大学 |
| 导师 | 赵生妹 |
| 文献来源 | 南京邮电大学 |
| 发表年份 | 2020 |
| 学科分类 | 基础科学,信息科技 |
| 专业分类 | 物理学,电信技术 |
| 分类号 | TN918.4;O413 |
| 关键词 | 量子密钥分发,脉冲位置调制,即插即用,循环差分相移,多自由度,光源错误 |
| 总页数： | 122 |
| 文件大小： | 2299K |
论文目录
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景与意义 |
| 1.2 量子密钥分发协议研究现状 |
| 1.3 量子密钥分发协议主要问题 |
| 1.4 论文研究内容 |
| 1.5 论文结构安排 |
| 第二章 量子密钥分发协议概述 |
| 2.1 BB84量子密钥分发 |
| 2.2 诱骗态量子密钥分发 |
| 2.3 测量设备无关量子密钥分发 |
| 2.4 循环差分相移量子密钥分发 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 基于脉冲位置调制的测量设备无关量子密钥分发协议 |
| 3.1 弱相干光源的特征和问题 |
| 3.2 脉冲位置调制技术 |
| 3.2.1 脉冲位置调制概述 |
| 3.2.2 单脉冲位置调制技术 |
| 3.3 基于脉冲位置调制的测量设备无关量子密钥分发系统方案 |
| 3.4 系统性能分析 |
| 3.5 数值仿真与讨论 |
| 3.5.1 仿真参数设置 |
| 3.5.2 仿真结果与分析 |
| 3.6 本章小结 |
| 第四章 基于多自由度的循环差分相移量子密钥分发协议 |
| 4.1 多自由度的量子态混合编码 |
| 4.2 基于多自由度的RRDPS-QKD协议 |
| 4.2.1 系统方案 |
| 4.2.2 系统成码规则 |
| 4.3 系统性能分析 |
| 4.3.1 密钥生成率分析 |
| 4.3.2 安全性分析 |
| 4.3.3 系统效率分析 |
| 4.4 数值仿真与讨论 |
| 4.4.1 仿真参数设置 |
| 4.4.2 仿真结果与分析 |
| 4.5 脉冲位置调制和多自由度编码的两种协议性能比较 |
| 4.6 本章小结 |
| 第五章 基于不可信光源即插即用循环差分相移量子密钥分发 |
| 5.1 量子密码系统中的即插即用技术 |
| 5.2 基于不可信光源即插即用循环差分相移量子密钥分发系统方案 |
| 5.3 系统性能分析 |
| 5.3.1 安全性分析 |
| 5.3.2 密钥生成率分析 |
| 5.4 数值仿真与讨论 |
| 5.4.1 仿真参数设置 |
| 5.4.2 仿真结果与分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 具有光源错误的循环差分相移量子密钥分发 |
| 6.1 光源错误问题 |
| 6.2 具有光源错误的三诱骗RRDPS-QKD协议 |
| 6.3 系统的安全密钥率 |
| 6.4 基于弱相干光源系统的数值仿真与分析 |
| 6.4.1 仿真参数设置 |
| 6.4.2 仿真结果与分析 |
| 6.5 基于标记配对相干态光源系统的数值仿真与分析 |
| 6.5.1 仿真参数设置 |
| 6.5.2 仿真结果与分析 |
| 6.6 本章小结 |
| 第七章 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 附录1 攻读博士学位期间撰写的论文 |
| 附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目 |
| 致谢 |
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