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《西北大学》 2016年
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连续变量量子密钥分发系统控制技术研究

方双红  
【摘要】:随着通信技术的不断发展,信息安全已经越来越引起人们的重视,如今信息泄露的事件时有发生,现有的计算机网络和经典通信网络都依赖传统的密码体制来保障信息安全,而随着计算机能力的不断提升,特别是超级计算机、量子计算机等新事物的出现,这种依赖数学密码的体制已经远远不能满足社会的安全需求,为此,人们在不断的寻找和探索新的方法来不断提高信息安全,正是因为如此,人们把目光聚集到了量子保密通信上。量子保密通信是以量子物理定律为安全保障,结合经典密码学以及经典通信的交叉学科,为通信学科的发展提供了一种新的思路。目前,量子保密通信发展迅速,给军事和商业领域的信息安全带来了新的曙光,其前景不可估量。在当今这个信息化,大数据的时代,因量子保密通信在信息安全方面具有先天的优势,这使得政府,各大高校及科研机构投入大量资源和人力进行研究。相比于离散变量量子密钥分发,连续变量量子密钥分发(简称CV-QKD)因其实现成本低,密钥生成率高,易集成及稳定性好等优点而受到各大科研机构的青睐。特别地,连续变量量子密钥分发系统能够很好的与现有的光网络融合,因此,连续变量量子密钥分发的发展前景比离散变量更加乐观。本文重点围绕连续变量量子密钥分发展开研究,主要完成以下几个方面的任务:(1)连续变量量子密钥分发试验系统研究。本文对CV-QKD系统各主要模块分别作了介绍。首先从系统的架构出发,把系统划分为哪几个物理层次,在此基础上分别就CV-QK D系统的光路电路模块,上位机模块,后处理模块等的功能以及各部分之间的关系进行了详细阐述。(2)连续变量量子密钥分发系统FPGA控制模块研究。对于一个通信系统,底层的数据传输是一个非常重要的数据通道,而FPGA控制模块完成了这一使命。本文首先整体概述了FPGA的作用以及包括哪些主要的资源,逻辑接口等,接着分别就FPGA数据控制部分,时钟控制以及FPGA控制模块的具体设计这三大主要模块做了非常详细的介绍,在介绍的过程中,本着以CV-QKD系统为中心的原则,将二者结合起来,以体现该模块在系统中的重要地位。(3)连续变量量子密钥分发系统中信号检测研究及数据接收方法设计。信号检测和数据接收是CV-QKD系统中非常重要的两个问题,文章讨论了影响检测的因素以及检测效率,信号进行检测之后,接着Bob端完成数据的接收。文章描述了数据接收的过程,并介绍了一种应用于该系统的同步方法。(4)提出了一种新型连续变量量子密钥分发系统同步方案。本文针对高速CVQKD实验系统同步方案中存在的不足,提出了一种基于m序列同步的新型同步方案。首先文章从理论上介绍了方案的同步机制,然后对其性能进行仿真分析,最后通过对比分析阐述了两种同步方案的优缺点。
【关键词】:连续变量量子密钥分发 数据接收 同步技术 FPGA模块 信号检测
【学位授予单位】:西北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN918.4;O413
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-11
  • 第一章 绪论11-17
  • 1.1 研究背景11
  • 1.2 研究现状11-14
  • 1.3 研究内容和创新点14
  • 1.4 本文研究内容与章节安排14-17
  • 第二章 连续变量量子密钥分发理论基础17-27
  • 2.1 量子光学基础17-21
  • 2.1.1 测不准原理和不可克隆定理17-18
  • 2.1.2 光场的正则分量18-19
  • 2.1.3 密钥分发中常用的量子态19-21
  • 2.2 连续变量信号检测21-23
  • 2.3 相干态高斯调制量子密钥分发23-24
  • 2.4 CV-QKD系统安全性分析24-25
  • 2.5 本章小结25-27
  • 第三章 连续变量量子密钥分发实验系统27-37
  • 3.1 连续变量量子密钥分发系统概况27-28
  • 3.2 连续变量量子密钥分发光路及电路模块28-30
  • 3.2.1 系统光路及电路设计28-29
  • 3.2.2 相位补偿技术29-30
  • 3.3 上位机控制模块30-32
  • 3.4 后处理模块32-33
  • 3.5 CV-QKD系统监控及实验结果分析33-36
  • 3.5.1 CV-QKD系统监控34-35
  • 3.5.2 系统实验结果分析35-36
  • 3.6 本章小结36-37
  • 第四章 连续变量量子密钥分发系统FPGA控制模块37-43
  • 4.1 CV-QKD系统FPGA控制模块主体概述37
  • 4.2 FPGA数据控制部分37-39
  • 4.2.1 FPGA板卡资源特性37-38
  • 4.2.2 FPGA的数据推送38-39
  • 4.3 时钟同步39-40
  • 4.4 CV-QKD系统中FPGA控制模块设计40-42
  • 4.4.1 FPGA控制模块主体框架设计40-41
  • 4.4.2 A/D模块及D/A模块41-42
  • 4.5 本章小结42-43
  • 第五章 CV-QKD系统中信号检测及数据接收43-49
  • 5.1 CV-QKD系统信号检测43-44
  • 5.2 CV-QKD系统数据接收44-48
  • 5.2.1 CV-QKD系统同步数据构造45
  • 5.2.2 FPGA峰值采样45-46
  • 5.2.3 位同步处理46-47
  • 5.2.4 帧同步处理47-48
  • 5.3 本章小结48-49
  • 第六章 一种连续变量量子密钥分发系统同步方案及实现49-59
  • 6.1 CV-QKD实验系统同步方案49-50
  • 6.2 一种新的CV-QKD系统同步理论方案50-53
  • 6.2.1 研究背景50-51
  • 6.2.2 同步理论方案51-53
  • 6.3 同步方案的仿真实验53-58
  • 6.3.1 m序列自相关特性53-54
  • 6.3.2 量子信道噪声对同步的影响54-56
  • 6.3.3 信噪比对同步成功率的影响56-57
  • 6.3.4 m序列同步的误码容忍度57-58
  • 6.4 同步方案优势58
  • 6.5 本章小结58-59
  • 总结与展望59-61
  • 参考文献61-67
  • 攻读硕士学位期间取得的学术成果67-69
  • 致谢69

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