量子密钥分配仿真及诱骗态研究

论文摘要

量子密钥分配是量子力学和密码学结合的产物,量子密钥分配的绝对安全性由量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理保证。然而,实际物理设备的固有缺陷(如非理想的单光子光源、通信光纤传输损耗、探测器固有暗计数),实验条件的限制,造成了实际系统中的量子密钥生成率和最大安全传输距离的局限性。利用经典计算机进行仿真是量子密码通信研究的一种重要方法,仿真比理论更接近实验,且不像实验需要高昂的经费和技术积累。本文对量子密钥分配进行仿真研究,同时进行了基于相干光的能实现基于现有技术的绝对安全量子密钥分配的诱骗态研究。本论文目的是为了促进量子密钥分配的进一步实用化,主要完成了以下工作：1)介绍BB84,B92协议及幅值阻尼信道和去极化信道的概念,提出仿真方法,运用Matlab软件,对BB84协议通过幅值阻尼信道、有角度偏离幅值阻尼信道下的BB84协议、B92协议经过去极化信道的通信过程分别进行了仿真,同时计算了在其影响下的密钥分配后的安全码率。幅值阻尼信道BB84协议安全码率仿真结果符合Vittorio Giovannetti和Rosario Fazio给出幅值阻尼信道的保密信道容量。而去极化信道下B92协议保密信道容量目前还没给出严格结果。2)运用不同的数据协调方法进行仿真,分析比较其结果。仿真结果显示,幅值阻尼信道噪声系数γ<0.15的时候,级联纠错方法比较接近上限比较好,0.15<γ<0.5的时候,二分法纠错比较接近上限,两种数据协调方法各有优劣。3)运用Matlab软件对一种基于相干态的诱骗态方案进行计算仿真分析,验证诱骗态方案可有效抵抗光子数分裂攻击。最后,本文对量子密码通信仿真研究作了总结和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1. 引言
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 2. 量子信息基础
• 2.1 量子态
• 2.1.1 希尔伯特空间,态矢量
• 2.1.2 量子比特
• 2.2 量子态特性
• 2.2.1 态叠加原理
• 2.2.2 不可克隆定理
• 2.2.3 Heisenberg测不准原理
• 2.2.4 非正交量子态不可区分性
• 2.3 量子算符
• 2.3.1 线性算符
• 2.3.2 厄米算符
• 2.3.3 幺正算符
• 2.3.4 对易关系
• 2.3.5 张量积
• 2.4 量子测量
• 2.4.1 测量算符
• 2.4.2 投影测量
• 2.5 本章小结
• 3. 量子密钥分配与诱骗态方案
• 3.1 量子密钥分配装置
• 3.2 量子密钥分配协议
• 3.2.1 BB84协议
• 3.2.2 B92协议
• 3.3 诱骗态方案
• 3.4 量子比特率
• 3.5 量子密钥分配协议实验
• 3.6 本章小结
• 4. 量子密码通信的仿真
• 4.1 幅值阻尼信道下BB84协议仿真
• 4.1.1 仿真模型
• 4.1.2 仿真信源
• 4.1.3 幅值阻尼信道
• 4.1.4 测量
• 4.1.5 数据协调
• 4.1.6 密性放大
• 4.1.7 仿真结果
• 4.2 去极化信道下B92协议仿真
• 4.2.1 仿真信源
• 4.2.2 去极化信道
• 4.2.3 测量
• 4.2.4 仿真结果
• 4.3 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 5. 基于相干光的诱骗态研究
• 5.1 光子源
• 5.2 信道衰减
• 5.3 探测器
• 5.4 计数率
• 5.5 仿真结果及分析
• 5.6 本章小结
• 6. 总结与展望
• 附录
• 1 幅值阻尼信道道下BB84协议仿真程序
• 1.1 级联纠错
• 1.2 二分法纠错
• 2 去极化信道下B92协议仿真程序
• 3 诱骗信号脉冲通过率
• 4 诱骗态方案仿真程序
• 参考文献
• 本文作者硕士期间参加的科研项目及发表的学术论文
• 致谢