量子密钥分配网络的协议和机制

论文摘要

量子密钥分配（Quantum Key Distribution,QKD）能够在两个远程实体Alice、Bob之间绝对安全的共享密钥,这个过程依靠的是量子力学的物理定律而不是通常密钥分配所依赖的计算复杂度,从而让密码系统的安全性提高到了一个新的高度。迄今为止,QKD在理论上和实验上都取得了很大的进展,世界上众多研究小组研制的实际系统无论密钥传输速率、传输距离还是系统稳定性方面都有了大的突破,而少数公司也开始提供商业的点到点QKD设备。QKD网络是未来QKD向多用户、高速率、长距离发展的必然趋势。正因为其重要性,近年来美欧日等国家都不约而同的加大了对QKD网络的投入和研究,近年来也提出了不少的网络方案。然而,QKD网络在理论架构上一直没有系统的研究,从而影响了其进一步的发展。本文首次系统的研究QKD网络的特点,其主要内容如下:1.将目前已经提出的各种QKD网络方案进行分类研究,首次按照实现的不同特点将其明确的划分为信任中继网络（TRN-QKD）、无源光器件网络（PON-QKD）和量子纠缠网络（QEN-QKD）,分别进行讨论。2.针对信任中继网络中信任节点可能会被攻击而使得网络不可靠的情形,我们提出了节点安全概率模型,在此基础上采用多路径秘密共享以及随机路由的方案在很大概率上可以保证网络在该情形下的安全性,计算结果也证明了该方案的明显效果;针对密钥生成速率与加密数据的速率可能不同步,建立了信任中继网络排队模型,采用预缓冲策略改善其延时性能;最后参考经典网络编码的理论,我们也对信任中继网的多用户密钥共享情况下的网络编码进行了移植。3.归纳总结了采用各种无源光器件构成的网络,包括了分束器网络、光开关网络和波分复用网络、波长总线网络、波长路由网络等。关于这类网络已经有很多实验方案,但尚没有统一的评价标准和分析方法。本文第一次给出了对一般无源光器件网络具有普适性的网络评价指标体系的初级模型,提出包括网络容量、网络连通度、网络成本模型包括终端用户成本和网络路由的成本等指标。以此对五种常见PON-QKD的性价比进行了横向比较。4.针对以一般纠缠态为基础的量子纠缠网络,我们着重考虑任意两个用户之间由一般纠缠态转换到最大纠缠态的概率（Singlet Conversion Probability,SCP）,这个概率也代表了密钥建立的成功概率。在单个量子复发器（QuantumRepeater）的情况下,给出纠缠保留的最佳策略,并将其推广到1维量子纠缠链。对于2维量子纠缠网络,在两用户相隔距离不是太远的情况下,采用多路径纠缠方案可以很好的提高最终SCP概率。而在距离比较远的情况下,我们应用经典渝渗理论的概念,利用量子渝渗过程,让SCP基本等于渝渗概率的平方,从而不受距离的影响。我们也提出了量子纠缠网络的渐进性渝渗和各向异性渝渗概念。5.分析了在经典光网络下,经典噪声给QBER带来的影响。在QKD与经典网络的结合方面,针对当前广泛使用的Internet和虚拟专用网（Vitual PrivateNetwork,VPN）技术,首次明确给出了QKD在PPP隧道技术和IPSec协议中的应用展示。6.针对现实中对网络需求的多样性,提出QKD骨干网和接入网的分级制度来实现各种不同类型QKD网络的融合以更好的符合现实需求。受到OSI参考模型的启发,首次提出了一个通用的QKD网络层次模型,兼容了上述各种网络,同时将下层的具体物理链路、网络方案和上层的密钥提取协议、密钥管理等功能分开,以简化整个网络的设计。这个层次模型具有前瞻性和广泛性,为今后复杂的QKD网络研究奠定了原理性的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 密钥系统
• 1.1.1 密码学的发展历史
• 1.1.2 对称密钥系统和非对称密钥系统
• 1.1.3 一次一密加密算法
• 1.1.4 密钥分配和量子密码
• 1.2 量子密钥分配
• 1.2.1 BB84和其他协议
• 1.2.2 单光子源
• 1.2.3 真随机源
• 1.2.4 单光子探测器
• 1.2.5 量子密钥分配的安全性
• 1.2.6 纠错算法
• 1.2.7 信息量估计和保密放大
• 1.2.8 身份认证
• 1.3 QKD系统
• 1.3.1 偏振编码系统
• 1.3.2 不等臂MZI型和FMI型相位编码系统
• 1.3.3 其他常见系统
• 1.3.4 自由空间量子密码
• 1.4 QKD网络
• 1.4.1 QKD网络的需求
• 1.4.2 QKD网络的现状
• 1.4.3 QKD网络的分类
• 1.5 本章小结
• 第二章 QKD与传统网络
• 2.1 QKD和经典通信
• 2.2 QKD与光通信网络的共存
• 2.2.1 经典噪声对QBER的影响
• 2.2.2 经典噪声来源
• 2.3 QKD在VPN技术中的应用
• 2.3.1 PPP隧道中的应用
• 2.3.2 IPSec中的应用
• 2.4 QKD在存储局域网中的应用
• 2.5 本章小结
• 第三章 信任中继网络
• 3.1 信任中继
• 3.2 多路径秘密共享
• 3.2.1 秘密共享
• 3.2.2 安全概率模型
• 3.2.3 实验结果
• 3.3 随机路由
• 3.4 QoS和网络延时
• 3.4.1 排队模型
• 3.4.2 性能改善策略
• 3.5 保密多播通信
• 3.5.1 网络编码概述
• 3.5.2 TRN-QKD下的网络编码
• 3.6 本章小结
• 第四章 无源光器件网络
• 4.1 分束器网络
• 4.2 Sagnac干涉环
• 4.3 光开关网络
• 4.4 波分复用网络
• 4.4.5 基本型
• 4.4.6 波长寻址总线型
• 4.4.7 全波长路由型
• 4.5 PON-QKD网络的性能评估
• 4.5.1 网络连通度
• 4.5.2 网络容量
• 4.6 PON-QKD网络的成本评估
• 4.6.1 终端用户成本
• 4.6.2 网络路由成本
• 4.6.3 网络性价比
• 4.7 本章小结
• 第五章 量子纠缠网络
• 5.1 量子纠缠
• 5.2 量子纠缠器件
• 5.2.1 量子复发器
• 5.2.2 量子中继器
• 5.3 1维量子纠缠网络
• 5.3.1 单个量子复发器
• 5.3.2 多个量子复发器
• 5.4 2维量子纠缠网络
• 5.4.1 渝渗理论
• 5.4.2 小范围QEN-QKD
• 5.4.3 大范围QEN-QKD
• 5.5 本章小结
• 第六章 QKD网络架构和总结
• 6.1 QKD网络的比较
• 6.2 QKD网络的设计
• 6.2.1 骨干网和接入网
• 6.2.2 并行QKD链路
• 6.3 QKD网络层次模型
• 6.3.1 量子链路层
• 6.3.2 量子网络层
• 6.3.3 密钥提取层
• 6.3.4 密钥管理层
• 6.4 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间科研成果