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高速量子密钥分发系统电子学

章涛  
【摘要】: 保密通讯是一项重要的技术,有着广泛的用途,对国家信息安全意义重大。从很早的时候人们就开始探索将信息隐藏以防止他人窃听的方法,直到近代才逐渐成为严格的体系。目前的密码体系有两种,对称加密体系和非对称机密体系。这两种加密方式理论上来讲都是有可能破解的,破解的难度和其使用的算法复杂度有关。随着高性能计算的发展、分布式计算的兴起和新式计算机的出现,传统密码体系的安全性令人担忧。 一次一密(One Time Pad)密码术是一种理论上绝对无法破解的加密算法,但它对密钥分发的过高要求使得其长期无用武之地,人们也对这种算法也一直“渴”望而不可及。直到量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)的出现,与之结合,得以实现绝对安全的加密方法。 量子密钥分发使用具有某种随机量子态的单光子或近乎单光子的光脉冲通过一定的协议来传递密钥,量子力学的基本原理决定了如果在密钥分发中有窃听者存在,那么通讯双方一定能够发现他。因为关系到信息安全这个重大的课题,自从1984年提出以来,量子密钥分发一直受到人们格外的关注,经过多年的发展,目前在国外已经开始走向实用。国内也有一定进展,但相对国外差距还比较大。 量子密钥分发是一个复杂的过程。在量子密钥分发系统中,除了基本的光学器件外,还需要一套电子学,它的工作做包括但不限于以下:控制光学器件进行量子态交互,完成原始密钥分发;对原始密钥进行对基、纠错、保密放大等;管理安全密钥,提供密钥服务;校准系统,监控系统状态等等。这是一套复杂的系统,国内的量子密钥分发发展不够,其配套电子学是其中一个很大的制约因素。有鉴于此,我们对量子密钥分发系统电子学做了深入的研究,研制了一套高速量子密钥分发系统的电子学。 电子学包括硬件和软件(Qkeg),硬件部分采用子母板结构,又包含QKD子板和嵌入式系统母板。 QKD子板根据真随机数产生高精度的电平,控制系统中的光学器件调制光子,制备、传输并测量光子的量子态,生成原始的密钥,然后将密钥传送给母板。子板上设计有大容量DDR和网络、USB2.0等丰富的接口。 嵌入式系统母板包含CPU、内存、硬盘(CF卡)、多个网口等,是一个完整的计算机系统。母板运行Linux操作系统,安装有文件系统,Qkeg软件运行于其上。我们为QKD子板编写了驱动,软件通过驱动实现对子板的控制,完成量子密钥分发的过程。生成的安全密钥存储在母板上,母板通过其对内的网口对内部主机提供密钥服务。 Qkeg软件控制着QKD系统的运行。它需要完成的工作是:对通讯双方身份验证,控制硬件运行,监控系统状态,对原始密钥对基、纠错、保密放大,管理安全密钥,提供密钥服务等等。 受单光子探测器工作频率的限制,我们的电子学最终的运行在20MHz。在这种工作频率下我们在20Km的光纤中实现了4.91kbps的安全密钥生成率,误码率在2.95%。我们的电子学体积小,使用方便,性能良好,利于QKD系统的工程化实现。 目前这套电子学通过调试安装,已经交付使用。在次工作基础上,我们设计了更为高速的电子学系统。系统设计工作频率1GHz,采用单板结构,在一片FPGA上完成嵌入式系统运行和QKD控制。截至论文付印已经完成PCB制作。 量子密钥分发是各国积极发展的一个研究方向,目前已经到了开花结果的阶段。我们应当积极研究QKD电子学,推进国内的QKD系统发展,为国家的信息安全建设贡献力量。


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