连续变量量子保密通信实验研究

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量子保密通信是一门刚刚兴起的学科,它的出现改变了传统的基于数学方法的加密方式,开辟了基于物理机制的密码学的新思路和新方法,为密码学科和通信学科带来新的活力。量子保密通信将在人们以后的通信生活中扮演重要的角色。而量子保密的巨大的应用前景和商业价值,尤其是其在军事领域的先天优势,吸引了高校、政府和研究机构投入了大量资源与人力进行研究。近几年来,量子保密通信的新的协议在不断地被提出,安全性在不断被完善,有关整机和网络的报道层出不穷,相信在未来的十几年中,量子保密通信领域将迎来巨大的发展。相对于出现较早的离散变量量子保密通信技术,连续变量量子保密技术(Continuous Variable Quantum Cryptography)具有很明显的后发优势。其利用经典光源,如相关光来作为信号源,具有实现成本低,部署简单等优点。同时连续变量量子保密通信技术具有密钥生成速率高,通信质量稳定等特点,是未来量子保密通信发展的趋势。本文详细阐述了连续变量量子保密通信技术,对其中的关键技术和课题难点进行了研究,对其中的安全性分析、协议设计、光路规划、软件架构、硬件开发和整机研制都进行了详细的研究和阐述,并在其中提出了若干创新性的技术方案。本论文详细研究和实现了以下几个方面的内容:(1)基于连续变量的量子密钥分发系统和量子数据流加密系统设计的关键技术研究。在两个不同的实验系统的设计中,从理论安全指标到实际光路搭建,论文都进行了详细的分析,并沿着模块化设计的思路进行详细的阐述。论文阐述了影响系统稳定性和误码率的各个方面因素,并提出了相应的解决方案,如相位补偿算法。论文给出了两种系统的实验测试结果。在密钥分发方面,系统在反向协商和个体攻击的模式下,可以达到8.6Kbps的密钥分发速率;在在反向协商和联合攻击的模式下,系统可以达到3.9Kbps的密钥分发速率。该系统能够实现27.2公里的通信,系统时钟可以达到500kHz,量子数据流加密系统可以传输清晰的实时话音信号,并可以在在误码率10?4这个数量级传输图片、文字和其他数据。(2)基于连续变量的量子通信综合平台的设计。论文提出一种量子综合通信平台,该平台综合两种量子通信协议,一种做量子密钥分发,一种利用前者分配的密钥进行数据流加密。两种协议发挥各自的优势,共享弱相干光源和检测器,实现一个“全量子”通信平台。该平台既能分发密钥,又可以进行流加密,达到了更高的安全性等级。论文详细阐述了综合平台的设计思路,对光学平台和软件平台的搭建进行了介绍,对样机制作过程中出现的问题进行了阐述和解决。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
插图索引第12-14页
表格索引第14-15页
第一章 绪论第15-22页
    1.1 课题背景及意义第15-16页
    1.2 量子密钥分发发展概述第16-18页
    1.3 量子数据流加密发展概述第18-20页
    1.4 论文的主要研究内容及章节安排第20-22页
第二章 量子密码体系协议与安全性分析第22-30页
    2.1 量子密钥分发协议第22-25页
        2.1.1 经典密钥分发概述第22-23页
        2.1.2 连续变量量子密钥分发协议第23-25页
    2.2 量子数据流加密协议第25-29页
        2.2.1 经典数据流加密概述第26页
        2.2.2 连续变量量子数据流加密协议第26-29页
    2.3 本章总结第29-30页
第三章 连续变量量子密钥分发实验方案第30-55页
    3.1 实验光路方案第30-32页
    3.2 控制系统总述第32-39页
        3.2.1 软件模块与功能描述第32-35页
        3.2.2 硬件资源管理与分配第35-36页
        3.2.3 系统工作流程第36-39页
    3.3 系统设计关键技术第39-49页
        3.3.1 生产者第39-41页
        3.3.2 相位追踪与补偿算法第41-44页
        3.3.3 通信成帧设计第44-45页
        3.3.4 即时同步技术第45-48页
        3.3.5 双缓存机制及其控制第48-49页
    3.4 实验结果与分析第49-52页
    3.5 本章总结第52-55页
第四章 连续变量量子数据流加密实验方案第55-69页
    4.1 系统概述第55-56页
    4.2 实验方案与流程第56-58页
        4.2.1 光路方案第56页
        4.2.2 实验流程第56-58页
    4.3 控制系统总述第58-62页
        4.3.1 软件模块与功能描述第58页
        4.3.2 硬件资源管理与分配第58页
        4.3.3 系统工作流程第58-62页
    4.4 主要软件模块设计方案第62-67页
        4.4.1 音频压缩与加密模块第62-65页
        4.4.2 解密与相位补偿模块第65-67页
        4.4.3 数据采集与音频还原模块第67页
    4.5 实验结果与分析第67-68页
    4.6 本章总结第68-69页
第五章 量子综合通信平台系统第69-80页
    5.1 系统设计目标第69-70页
    5.2 整体光路设计第70-74页
        5.2.1 光源模块第71页
        5.2.2 量子密钥分发节点第71-73页
        5.2.3 量子数据流加密节点第73页
        5.2.4 量子信号接受与检测节点第73-74页
    5.3 整机系统功能架构第74-77页
        5.3.1 光路层第74页
        5.3.2 电路层第74-76页
        5.3.3 软件模块层第76-77页
        5.3.4 用户交互层第77页
    5.4 整机设计方案与最终样机第77-79页
    5.5 本章总结第79-80页
第六章 全文总结第80-82页
    6.1 论文总结第80页
    6.2 前景展望第80-82页
参考文献第82-87页
致谢第87-88页
攻读学位论文期间发表的学术论文和科研成果目录第88页
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