诱骗态量子密钥分配协议的研究

论文摘要

量子的不可分性和系统的纠缠是量子力学最奇异的特性,而这也构成了量子密钥分配(QKD)安全性的理论基础。QKD是第一个在单量子水平上达到商业应用的技术,QKD能为用户提供高效的信息安全的解决方案,并能保证系统具有无条件的绝对安全性,可用于外交,军事,金融等需要高度保密的领域,有望成为下一代加密系统的主流方案。对于使用实际“单”光子源的QKD系统,诱骗态方法能显著的提升和改善QKD系统的性能。近五年来,人们在诱骗态领域开展了大量的研究工作,但仍有很多问题值得深入研究。本文主要研究了诱骗态QKD协议的安全密钥生成率和最大安全距离,其目的是促进QKD的进一步实用化。主要开展了以下三个方面的研究工作。1.研究了基于标记单光子源的广义诱骗态协议,在主动方案中分别对泊松分布、热分布和接收端放置阈值探测器和光子数解析探测器的情况进行了公式推导和数值模拟;并对被动方案的情形也进行了推导和模拟。2.结合标记单光子源,详细讨论了实用的诱骗态协议。在主动方案中,使用两诱骗态加真空态来对单光子的计数率和误码率进行估计;而在被动方案中,通过探测器的后选择将光脉冲分为响应为0, 1和其他等三类子集来实施诱骗态方案,并利用这三类子集的实验数据来进行估计过程。3.研究了当光子数解析探测器置于接收端情况。对文献中提出的光子数解析诱骗态协议建立了具体的模型并进行了数值模拟。然后研究了主动和被动两种方案。在主动方案中,同样使用两诱骗态和真空态,利用其实验数据来进行估计;而在被动方案中,通过接收端的探测器将光脉冲分为响应为1和2两类子集来执行诱骗态协议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 密码学的基本概念
• 1.3 量子比特及其性质
• 1.4 量子密钥分配的兴起
• 1.4.1 量子密码的起源和发展
• 1.4.2 诱骗态方案的研究现状
• 1.4.3 量子密钥分配的基本协议
• 1.5 本文结构
• 第2章 量子密钥分配的组件模型
• 2.1 信号光源
• 2.1.1 弱激光脉冲
• 2.1.2 修改相干态和奇相干态
• 2.1.3 标记单光子源
• 2.2 量子信道
• 2.2.1 单模光纤
• 2.2.2 自由空间
• 2.3 光子探测器
• 2.3.1 阈值探测器
• 2.3.2 光子数解析探测器
• 2.4 量子密钥生成率
• 2.4.1 计数率
• 2.4.2 量子比特误码率
• 2.5 本章小结
• 第3章 广义诱骗态协议
• 3.1 量子密钥分配系统的安全性
• 3.1.1 光子数分离攻击
• 3.1.2 安全密钥率公式
• 3.2 诱骗态方案的基本原理
• 3.2.1 诱骗态思想的实质
• 3.2.2 诱骗态协议的基本流程及分类
• 3.3 基于弱相干态的广义诱骗态协议
• 3.3.1 协议的具体描述
• 3.3.2 数值模拟及分析
• 3.4 基于标记单光子源的广义诱骗态协议
• 3.4.1 主动方案和被动方案
• 3.4.2 数值结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于光子数解析的诱骗态协议
• 4.1 基于标记单光子源的诱骗态协议
• 4.1.1 主动诱骗态方案
• 4.1.2 被动诱骗态协议
• 4.1.3 数值模拟及分析
• 4.2 光子数解析诱骗态协议
• 4.2.1 基于相干态的诱骗态协议
• 4.2.2 数值结果与讨论
• 4.3 探测器置于接收端的诱骗态协议
• 4.3.1 两诱骗态加真空态协议
• 4.3.2 被动诱骗态协议
• 4.3.3 数值模拟及分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢