有限长诱骗态量子密钥分配安全性研究

摘要

量子密钥分配（QKD）作为现代密码学与量子力学结合的产物，已经成为一种走向实用化的信息安全保障技术。QKD系统能够使通信双方可以利用公开信道协商产生一致的秘密信息，这些秘密信息通常作为双方保密通信的密钥，密钥是否安全将关系到双方保密通信的安全，因此QKD系统产生的密钥信息的安全自然成为人们最为关注的核心问题。
　　理想条件下QKD系统已经被证明是理论上安全的，但是实际QKD系统与理想QKD系统不可能完全一致，存在诸如非单光子光源、有限长密钥、非精确调制量子态等非理想因素，已有研究表明，这些非理想因素直接对实际 QKD系统的安全性构成了威胁，研究非理想条件下QKD的实际安全性已成为QKD系统实用化过程中必须解决的关键问题。
　　诱骗态方法可以有效解决实际光源多光子脉冲带来的安全隐患问题，因此实际 QKD系统通常采用诱骗态方法来进行光源调制。实际诱骗态 QKD系统在一定运行时间内的光脉冲数及数据处理长度往往是有限的，其产生的密钥也是有限长的，针对理想 QKD系统的安全性界限不再适用于有限长诱骗态 QKD系统，因此研究密钥有限长条件下诱骗态QKD系统的安全性界限是实际安全性分析需要解决的重点问题。本文较系统地研究了有限长诱骗态QKD系统的安全性，主要解决了有限长诱骗态QKD系统在认证密钥更新、非理想参量下转换光源、非平衡基矢选取等实际条件下的安全性界限度量问题，主要完成的工作包括以下几个方面：
　　1、有限长量子密钥分配认证安全性研究。针对密钥信息泄漏对实际QKD系统安全性的影响问题，基于保密放大分析方法，给出了密钥有限长条件下认证密钥更新的信息泄漏刻画方法，分析了认证密钥信息泄漏对实际 QKD系统认证安全性带来的影响。进一步围绕有限长认证密钥在密钥更新过程中安全强度递减的问题，提出了初始认证密钥的使用寿命分析模型，给出了有限长初始认证密钥使用寿命的计算表达式，有效度量了密钥更新过程中有限长认证密钥的安全强度变化。
　　2、相干攻击下被动诱骗态量子密钥分配有限长分析。参量下转换光源是一种目前技术实现比较成熟的实际光源，基于参量下转换光源的实际 QKD系统通常采用被动诱骗态方案，但已有的密钥有限长安全性界限局限于联合攻击环境。本文针对基于参量下转换光源的QKD系统，提出了相干攻击环境下被动诱骗态方案的有限长分析方法，给出了密钥有限长条件下单光子计数率和误码率的计算表达式，得到了被动诱骗态 QKD在有限长条件下严格的安全密钥率界限。数值分析表明，在密钥有限长条件下，参量下转换光源被动诱骗态 QKD可以达到较优的实现性能，系统高工作频率下的最远安全传输距离能够超过弱相干光源主动诱骗态QKD。
　　3、参量下转换光源测量无关QKD诱骗态方案设计与分析。测量无关量子密钥分配（MDI-QKD）能够克服探测器非理想带来的安全漏洞问题，比传统QKD具有更好的实际安全性，针对弱相干态光源 MDI-QKD的相关研究比较成熟，而基于参量下转换光源MDI-QKD的安全性及实现性能还有待进一步研究。本文提出了两种 MDI-QKD诱骗态方案：被动二强度诱骗态方案和主被动三强度诱骗态方案，给出了相应的参数估计方法并得到了密钥有限长条件下主被动三强度诱骗态方案的安全性界限。进一步给出了 MDI-QKD使用相位随机化参量下转换光源时平均计数率和误码率的计算公式，在此基础上比较了其采用不同诱骗态方案时的实现性能，并分析了密钥有限长对主被动三强度诱骗态方案安全性的影响。数值分析表明，参量下转换光源MDI-QKD的安全密钥率和最大传输距离要优于弱相干光源 MDI-QKD，主被动三强度诱骗态方案的实现性能要优于主动三强度诱骗态方案，有限长统计涨落会显著影响参量下转换光源MDI-QKD的实现性能。
　　4、有限长测量无关QKD非平衡基矢诱骗态方案设计与分析。密钥有限长引起的统计涨落显著影响MDI-QKD的实现性能，如何提高有限长MDI-QKD的实用性能是目前人们最为关注的实际问题。本文提出了一种适用于MDI-QKD的非平衡基矢诱骗态协议，在可组合安全框架内，给出了密钥有限长条件下单光子计数、单光子误码、相位误码的计算方法和安全密钥率界限，该协议最大程度地利用了不同光强组合下的Bell态测量成功计数，并通过控制基矢选择概率使有限长统计涨落下的安全密钥率达到最优，从而有效提升了MDI-QKD的安全密钥生成效率，延长了密钥安全传输距离。数值分析表明，使用相同实验参数并且在参数部分最优选取的条件下，该协议的性能要优于现有结果，在总脉冲数达到1015量级时，密钥安全传输光纤距离可以达到168公里。

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第一章 绪论

1 .1 密钥分配技术

1 .2 量子密钥分配

1 .3 量子密钥分配安全性

1 .4 论文主要内容

第二章 基础知识

2 .1 量子力学基础

2.2 QKD协议

2.3 QKD理论安全性

2.4 QKD实际安全性

2.5 QKD设备无关安全性

2 .6 本章小结

第三章 有限长量子密钥分配认证安全性研究

3 .1 认证密钥更新方法

3 .2 有限长密钥信息泄漏

3 .3 认证密钥使用寿命

3 .4 认证安全性分析

3 .5 本章小结

第四章 相干攻击下被动诱骗态量子密钥分配有限长分析

4 .1 极小平滑熵

4 .2 被动诱骗态方案

4 .3 有限长条件下被动诱骗态参数估计

4 .4 有限长条件下安全密钥长度

4 .5 数值模拟及分析

4 .6 本章小结

第五章 参量下转换光源测量无关QKD诱骗态方案设计与分析

5 .1 基于参量下转换光源的测量无关

5 .2 主动三强度诱骗态方案

5 .3 被动诱骗态方案

5 .4 方案分析

5 .5 本章小结

第六章 有限长测量无关QKD非平衡基矢诱骗态方案设计与分析

6 . 1 测量无关QKD非平衡基矢诱骗态协议

6 .2 密钥有限长条件下参数估计

6 .3 协议性能分析

6 .4 本章小结

第七章 结束语

致谢

参考文献

作者简历