基于连续变量量子密钥分发的高效LDPC解码算法

摘要

当今社会已经跨入信息化时代,信息在流通中体现价值,而流通要求高效率、高质量。经典密码学在保障信息安全方面起到了关键性作用,然而随着现代计算机的快速发展,量子计算机应运而生。量子密码学是量子理论和经典密码学相结合的新学科,被证明有绝对安全性,量子密钥分发(Quantum Key Distribution,简称QKD)是量子密码学的一个重要分支。目前,量子密钥分发协议分为离散变量量子密钥分发(DV-QKD)、连续变量量子密钥分发(CV-QKD)和分布式相位参考(DPR-QKD)三种协议。
　　数据协调是量子密钥分发中必不可少的一个环节,它可判断窃听的存在,纠正通信中大量的误码,并通过密性放大实现密钥蒸馏。数据协调是利用经典通信技术对在量子信道传输中信源和信宿的不一致进行纠正的一种协议,因此属于量子通信技术范畴下的经典通信技术。数据协调实际是一个信道编码问题,本文我们选择具有灵活校验矩阵,码率灵活的低密度奇偶校验码(LDPC)作为整个系统的纠错码。
　　本文主要工作内容如下:
　　为了解决随着分组码长的增加,利用常规 LDPC码的编码方法编码对于计算机的内存难以承担的问题,提出两种有效方案:首先,该数据协调方案不同于传统校验位译码,而是利用边信息和原始数据产生的校验子联合译码,最终得到理想码字;其次,该方案中将H矩阵以稀疏矩阵的形式存贮,利用双向十字链表只记录1的位置的方式存贮H矩阵,这样可极大的节省内存空间,从而提高编码的时效性与有效性。
　　提出基于 LDPC码的离散变量 QKD(即单光子)和高斯连续变量 QKD的协调方案,其中连续变量QKD是以离散变量为基础。针对高斯量子密钥分发的数据协调问题,对高斯连续变量进行了最优量化,实现了Alice和Bob之间的互信息量最大。在分层错误校正协议(SEC)和多电平编码/多级解码(MLC/MSD)协议的基础上,各级码流采用了LDPC码进行错误校正,并推出了一次硬信息级间迭代更新公式参与MSD译码算法。
　　在2.4GHz CPU,32G内存服务器平台上,离散变量实验中选取码长为105为最佳码长,误码率收敛于1.0dB,每一分组译码时间仅需4s,译码收敛后速率达到24.85kbits/s。高斯连续变量实验仿真结果表明该算法可在信噪比4.9dB以上实现2×105个连续变量序列的可靠协调,协调效率达91.71％,安全密钥量可达8.645kbits/s。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 传统密码通信

1.2 量子密码通信

1.3 量子密钥分发的发展现状及前景

1.4 本文研究内容及章节安排

第二章 连续变量QKD

2.1 连续变量QKD系统模型

2.2 数据协调

2.3 噪声分析

2.4 本章小结

第三章 LDPC码的基本原理及其改进

3.1 LDPC码的定义及表示

3.2 LDPC码译码算法性能比较

3.3 程序设计及仿真

3.4 本章小结

第四章 基于LDPC离散变量QKD的数据协调

4.1 信道纠错码的选择

4.2基于边信息的二进制信源压缩

4.3基于边信息的解码器

4.4 数值仿真及分析

4.5 本章小结

第五章 基于LDPC连续变量QKD反向数据协调

5.1 基于CV-QKD的逆向协调通信模型

5.2 量子高斯密钥整体协调方案

5.3 连续变量的最优量化

5.4 基于LDPC的MSD优化策略及算法

5.5 LDPC码校验矩阵构造优化

5.6 数值仿真及分析

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

6.1本文的工作与总结

6.2有待研究的问题及展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

个人简况及联系方式