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量子密钥分发验证系统的研究

冯蔚  
【摘要】: 近年来量子信息技术成为引人注目的焦点,因为它引领着未来更加安全的通信方式。与此同时同属于量子信息技术的量子算法拥有了经典算法所不具备的大数质因子分解能力,对现有的公钥密码体系构成了巨大威胁。而在量子信息技术领域量子密码术的发展最为成熟,量子密码术也被称为量子密钥分发术,它是利用光的量子特性实现在相隔一定距离的两方间的无条件安全通信,这一技术很好的解决一次性密钥便签体系中密钥传递问题。 2002年由K. Inoue和Y. Yamamoto带领的NTT实验室和Stanford大学联合研究小组提出了差分相移量子密钥分发协议,基于该协议的量子密钥分发系统具有结构简单,在传统的光纤系统中即可实现。虽然差分相移量子密钥分发系统也是使用衰减的激光源,但协议本身安全性是足以抵御一种光子数分离攻击策略,而在以前这一攻击策略曾对基于衰减激光源量子密钥分发系统构成严重的威胁。 本文主要介绍了量子密钥分发相关技术,包括单光子源制备和单光子探测器技术,然后描述了量子密钥分发使用最为广泛的BB84协议以及新近提出的差分相移量子密钥分发协议原理,并从理论上分析讨论针对差分相移协议在实施截获重发和光子数分离攻击等非相干攻击策略情况下的安全性。其安全性的证明可以从推导平均碰撞概率的边界而得到,而平均碰撞概率直接决定窃听者所能获得的互信息量。本文后半部分介绍我们搭建基于差分相移协议量子密钥分发验证系统相关实验情况,实现密钥分发的演示,在发送端将分发所得密钥用AES加密一段多媒体信息,同时在接收端使用相同密钥实时解密密文。该系统方案实施包括硬件功能模块设计和相关配套应用软件代码编写。硬件模块完成对单光子探测器输出信号的采集存储,并将该信号通过USB2.0接口上传至PC机。软件模块完成在经典信道上通信双方密钥的比对和密文传输的功能。


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