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连续变量量子保密通信实验研究

代文超  
【摘要】:量子保密通信是一门刚刚兴起的学科,它的出现改变了传统的基于数学方法的加密方式,开辟了基于物理机制的密码学的新思路和新方法,为密码学科和通信学科带来新的活力。量子保密通信将在人们以后的通信生活中扮演重要的角色。而量子保密的巨大的应用前景和商业价值,尤其是其在军事领域的先天优势,吸引了高校、政府和研究机构投入了大量资源与人力进行研究。近几年来,量子保密通信的新的协议在不断地被提出,安全性在不断被完善,有关整机和网络的报道层出不穷,相信在未来的十几年中,量子保密通信领域将迎来巨大的发展。 相对于出现较早的离散变量量子保密通信技术,连续变量量子保密技术(Continuous Variable Quantum Cryptography)具有很明显的后发优势。其利用经典光源,如相关光来作为信号源,具有实现成本低,部署简单等优点。同时连续变量量子保密通信技术具有密钥生成速率高,通信质量稳定等特点,是未来量子保密通信发展的趋势。本文详细阐述了连续变量量子保密通信技术,对其中的关键技术和课题难点进行了研究,对其中的安全性分析、协议设计、光路规划、软件架构、硬件开发和整机研制都进行了详细的研究和阐述,并在其中提出了若干创新性的技术方案。 本论文详细研究和实现了以下几个方面的内容: (1)基于连续变量的量子密钥分发系统和量子数据流加密系统设计的关键技术研究。在两个不同的实验系统的设计中,从理论安全指标到实际光路搭建,论文都进行了详细的分析,并沿着模块化设计的思路进行详细的阐述。论文阐述了影响系统稳定性和误码率的各个方面因素,并提出了相应的解决方案,如相位补偿算法。论文给出了两种系统的实验测试结果。在密钥分发方面,系统在反向协商和个体攻击的模式下,可以达到8.6Kbps的密钥分发速率;在在反向协商和联合攻击的模式下,系统可以达到3.9Kbps的密钥分发速率。该系统能够实现27.2公里的通信,系统时钟可以达到500kHz,量子数据流加密系统可以传输清晰的实时话音信号,并可以在在误码率10?4这个数量级传输图片、文字和其他数据。 (2)基于连续变量的量子通信综合平台的设计。论文提出一种量子综合通信平台,该平台综合两种量子通信协议,一种做量子密钥分发,一种利用前者分配的密钥进行数据流加密。两种协议发挥各自的优势,共享弱相干光源和检测器,实现一个“全量子”通信平台。该平台既能分发密钥,又可以进行流加密,达到了更高的安全性等级。论文详细阐述了综合平台的设计思路,对光学平台和软件平台的搭建进行了介绍,对样机制作过程中出现的问题进行了阐述和解决。


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