差分量子密钥分配系统安全性分析与实验研究

论文摘要

量子密钥分发（QKD）协议因其可以实现无条件安全、快捷的密钥分配，近年来已引起人们的广泛关注，是目前量子信息领域中特别具有现实意义的研究方向。目前的量子密钥分发（QKD）系统在理论和实验方面都有了很大进展，取得了丰硕的成果，但QKD系统通信距离和安全码生成速率并不高，还不能与现有的电信网络集成，远远不能满足实际应用的需要，尤其是商业化的需求。这是因为由于BB84协议以及以后的许多协议都依赖于测量基的匹配来获得密码比特，协议效率不高。2002年提出的差分相位编码QKD方案（DPS-QKD），不存在基匹配问题，协议效率高，可以提高码生成效率，在满足实用性需求方面显示出很大的优势，成为近年来研究的热点之一。本论文主要对差分相位编码QKD系统及其安全性做了较为全面系统的研究，并对系统做了改进以提高系统的稳定性。主要内容有：1．采用理论与实验相结合的方法，系统地研究差分相位编码QKD系统（Differential Phase Shift QKD，DPS-QKD）安全性。着重分析了各种典型攻击方式下，DPS-QKD方案的安全性问题。对差分相位编码QKD系统与标准BB84 QKD系统的性能进行了比较。2．首次将法拉第镜的光学特性运用在差分相位编码QKD实验系统上，设计并搭建采用弱激光脉冲光源和门控技术的DPS-QKD实验系统，提高了QKD系统的稳定性，具有重要的实用价值。并对系统的稳定性和安全性进行了分析。3．在充分研究差分相位编码QKD系统结构和性能的基础上，从实验方案和实验技术两方面探讨了改进差分相位编码QKD系统性能的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 量子保密通信概论
• 1.1 传统密码体制与经典密钥分配
• 1.1.1 传统密码体制
• 1.1.2 经典密钥分配
• 1.2 量子保密通信
• 1.2.1 量子密码术
• 1.2.2 量子密钥分发协议
• 1.2.3 量子保密通信的发展和现状
• 1.3 本论文的主要工作
• 1.4 小结
• 第二章 量子密钥分发的安全性
• 2.1 QKD安全性理论
• 2.2.1 QKD的无条件安全性
• 2.2.2 实际 QKD系统的安全性
• 2.2.3 量子密码的产生
• 2.2 典型的攻击方式
• 2.2.1 QKD中的非相干攻击
• 2.2.2 QKD中的相干攻击
• 2.2.3 QKD中的特洛伊木马攻击
• 2.3 小结
• 第三章 差分相位编码量子密钥分发系统
• 3.1 光纤 QKD系统实验方案
• 3.1.1 QKD的编码方式
• 3.1.2 MACH-ZEHNDER干涉仪 QKD系统
• 3.1.3 “PLUG & PLAY”系统
• 3.2 差分相位编码量子密钥分发系统
• 3.2.1 差分相位编码方案原理及其优势
• 3.2.2 相干光源 DPS-QKD实验方案
• 3.2.3 双向来回式 DPS-QKD实验系统
• 3.3 小结
• 第四章 差分相位编码量子密钥分发系统的安全性
• 4.1 差分相位编码 QKD系统中的攻击策略
• 4.1.1 分光子数（PNS）攻击
• 4.1.2 分光束（BS）攻击
• 4.1.3 截获-重发（I-R）攻击
• 4.1.4 序列攻击（SEQUENTIAL ATTACK）攻击
• 4.2 差分相位编码 QKD系统的安全性能
• 4.2.1 BB84协议的安全码率
• 4.2.2 典型个体攻击下差分 QKD系统的安全码率
• 4.2.3 一般个体攻击下差分 QKD系统的安全码率
• 4.2.4 数值仿真
• 4.3 小结
• 第五章 差分相位调制编码 QKD实验系统
• 5.1 稳定的差分相位编码 QKD方案
• 5.1.1 差分相位编码实验方案
• 5.1.2 密钥分配方案
• 5.1.3 实验和结果
• 5.2 实验系统稳定性与安全性分析
• 5.2.1 系统稳定性分析
• 5.2.2 系统安全性分析
• 5.3 差分相位编码 QKD实验系统改进与展望
• 5.3.1 增强系统安全性的改进方案
• 5.3.2 提高系统安全码率的改进措施
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读学位期间发表的学术论文目录