量子密钥分配应用安全性研究

摘要

现代社会和谐与繁荣无疑需要站在信息绝对安全的前提下。第三次工业革命——信息技术革命，包括现在全球各国陆续提出的第四次工业革命以及大数据等，如果没有信息安全的保证一切都是空谈。现代通讯系统基本都是依靠如RSA[1]、DES[2]等比较传统的密码体制来保障数据的安全性。直到Shor[3]算法被提出，以及量子计算机技术得以不断进步，用经典密码体制来保护数据的想法将变得非常不切实际。随着量子信息学的发展，绝对安全的“一次一密”加密体系得以应用。我们认为在可预见的未来量子密码体制将是数据保护的主要方法。目前，由于科学实验的限制，量子通讯领域的量子直接通话还难以实现。但是量子密钥分配技术已趋于成熟。量子密钥分发是现代密码学原理中提出较早，系统研究与实验应用成果较多的密码学分支。理论上，将量子密钥分配运用到一次一密加密体系中能够实现绝对安全的新型密码体制，有量子力学原理的保证。
　　然而最初的研究集中于证明量子密钥分配协议是否绝对安全，忽略了许多实际应用中存在的问题。近年来随着量子密钥分配的商用化，实际使用中不断存在一些待以解决安全性问题。
　　本文系统地讨论了主流系统的关键器件带来的安全性能问题，具体探讨了法拉第筒镜、相位调制器，光纤所处环境温差所带来的相位漂移等因素对误码率的影响。确定了法拉第筒镜、相位调制器参数安全边界以及法拉第筒镜相位调制器关联参数安全边界。我们提出温差能同时影响到光纤长度和光相位系数。定量研究表明系统受温差的影响十分敏感，相位漂移一个周期温度变化仅仅只需要0.05℃，相比目前已考虑的范围要求提高了将近20倍。对于缩小现有的干涉环臂差长度和进一步控制温差对目前的实验要求苛刻，因此系统改善实际通信系统的安全性能，进一步缩小法拉第筒镜、相位调制器的偏差，对温差产生的位相漂移问题的缓解有一定的促进作用。
　　另外，对文中提到的两个比较常见的量子密钥分配系统进行比较，我们根据密码体制的物理安全性条件进行分析认为非对称双马赫-曾德尔结构相位编码系统的实用性优于自动往返补偿相位编码系统。

目录

摘要

第一章 绪论

§1．1 引言

§1．2 经典密码学

§1．3 量子密码学

§1．4 论文的研究意义和主要工作

第二章 量子密钥分配基本原理

§2．1 量子力学基础

§2．1．1 量子态，态叠加原理

§2．1．2 量子测量

§2．1．3 纠缠态

§2．2 单光子密码通信

§2．2．1 量子不可克隆原理

§2．2．2 BB84协议

§2．2．3 其它协议

§2．3 实验装置

第三章 关键器件对系统安全性的影响

§3．1 引言

§3．2 往返自动补偿相位编码系统

§3．3 非完美法拉第筒镜对系统安全性的直接影响

§3．4 非完美相位调制器对系统安全性的直接影响

§3．5 两关键器件联合对系统安全性的影响

§3．6 光纤的非完美性对系统安全性的影响

§3．7 结论

第四章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢

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