量子密钥分配网络研究

论文摘要

从古至今,保密通信一直在人们的生活中占有着重要的位置,并催生出了以此为研究目标的一门自然科学——密码学,在不断的加密与破译的相互斗争中,这门科学得到了持续数千年的发展。现代的密码学主要是以数学尤其是以数论为基础的一门学科,其攻防双方在最近的几十年内达到近乎平衡的状态。然而,量子计算概念的出现打破了这种平衡,使得现用的保密手段面临着前所未有的威胁,虽然量子计算机还没有真正研制出来,但潜在的威胁已经让所有的保密工作者体味到一种压迫感。庆幸的是,在量子计算机原理出现的同时量子密钥分配也出现了,而且其发展的速度远比量子计算机快,它不仅能够抵御经典范围的所有窃听手段,也能抵御包括量子计算机在内量子攻击方法,只要现有的物理学基本规律不被颠覆,它就能从理论上保证无条件的安全。正因为其具有如此高强度的安全系数,引发了人们对这一新技术的不断研究和探索,并取得了令人瞩目的成就。在过去15年内,提出了许多新的理论方案,采用各种编码方式,采用不同类型器件的实验系统相继问世。端到端系统的传输距离和传输速率不断提高,关于安全性的证明也越发完善和精细,甚至于已经有商用的系统在市场上出售。当然,这其中还有很多的技术问题亟待解决,但这并不妨碍人们憧憬未来量子密钥分配技术的大规模商用。于是,借鉴传统通信技术的发展经验,人们提出了建设量子密钥分配网络的新课题。通过建网,可以利用少量的资源服务更多的用户,不仅沟通了大量用户,还降低了单个用户的使用成本,这是该技术走向实际应用的必然途径。但是,这样一项新的技术,必然有它的独特需求,原有的通信网的建设经验并不能完全照搬,因此需要针对这些新的需求和限制提出建设量子密钥分配网络的一系列新思路、新方法。本文的主要内容就是针对如何建设量子密钥分配网络开展研究的,它包含以下几方面的内容:1.在介绍量子密钥分配基本原理和各种不同实验方案的基础上,我们提出了一种基于频率编码的端到端量子密钥分配系统。这一方案在继承了频率编码特有优势的同时,改进了之前由法国的一个科研小组提出的频率编码方案的不足,即由于方案本身设计不当而导致系统误码率的升高。这种采用频率编码的端到端系统和已经比较成熟的相位编码、偏振编码系统一起,都可以作为建设量子密钥分配网络的基本单元。2.根据在量子网络中不能有光放大器、不能进行信号测量的特殊要求,我们利用波分复用器件构造了一个星型拓扑结构的量子网络。它的最大特点就是不必像经典通信网中那样通过在信息上加载目的地址编码来实现网络路径选择,而是根据不同波长来标识不同用户,利用波分复用器件的巧妙组合连接实现不同波长的光量子信号沿不同路径传输并到达指定用户,从而在避免对量子信号进行测量干扰的前提下,完成自动路径选择。与其它方案相比,本网络具有结构简单、全连通、效率高的特点。3.总结归纳了已有的各种关于量子密钥分配网络的实现技术,对各种技术进行了简单比较并分别按照器件特点和地域特点进行分类。在此基础上提出了评价网络性能优劣的一套可量化标准,以便于今后在建设网络时有指标可依。4.提出了对未来建设完整量子保密通信系统的整体规划,描绘了该规划的架构轮廓,将可能遇到的各种问题按照对象不同置于框架中的不同层次,并对各部分的相互联系和协调做了一定的考虑。这将对今后的研究工作有一定指导和借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 保密通信的原理和意义
• 1.2 经典加密技术
• 1.2.1 对称密码体系
• 1.2.2 非对称密码体系
• 1.3 量子密钥分配技术
• 第2章 量子密钥分配的理论方案和实验实现
• 2.1 理论方案
• 2.1.1 BB84方案
• 2.1.2 B92方案
• 2.1.3 EPR纠缠方案
• 2.1.4 其他方案
• 2.2 实验实现
• 2.2.1 实验所需的设备器件
• 2.2.2 实验系统的分类
• 2.2.3 实际系统的安全性
• 2.2.4 decoy state
• 第3章 量子密钥分配网络
• 3.1 什么是量子密钥分配网络
• 3.2 为什么要研究量子密钥分配网络
• 3.3 如何构建量子密钥分配网络
• 3.3.1 量子城域网
• 3.3.2 量子广域网
• 第4章 量子保密通信系统整体规划
• 4.1 网络基础
• 4.1.1 核心网和接入网
• 4.1.2 专用网和复用网
• 4.1.3 全网结构轮廓
• 4.2 用户管理
• 4.2.1 用户标识
• 4.2.2 网络控制与路径选择
• 4.2.3 身份认证
• 4.3 密钥管理
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果