基于参量光源的诱骗态量子密钥分配研究

摘要

密码学在金融、通信以及军事等方面起着越来越大的作用，正是来自于各方面对信息安全的强烈需求。而随着量子计算机的提出与不断发展，其出现必定会对现今的密码体制产生极大的冲击，基于计算复杂度的经典密码学在其计算能力与新颖的特殊算法面前显得苍白无力。然而量子密钥分配(QKD)以其无条件安全的分发密钥的特性受到关注，再结合经典的被证明无条件安全的“一次一密”，就能保证无条件安全的保密通信。
　　QKD的无条件安全是以量子力学的基本原理为基础的，自1984年提出，QKD的理论和实验研究至今已发展了30余年。但是，目前实用化QKD的性能仍有很大的提升空间，探寻新的方法来实现更高性能的实用化QKD以满足各方面日益增长的保密需求就显得十分必要了。比如QKD的光源，目前比较常用的光源为弱相干态，通过衰减激光得到，但是其存在一个问题就是其光子数分布为泊松分布，含有较高的真空态比例，以及相对较低的单光子比例，这是限制QKD在较远距离处产生密钥的原因。因此我们把目光投向包含真空态少，而且单光子比例相对较高的亚泊松分布光源。标记单光子源(HSPS)恰好可以满足这个要求，真空脉冲可以通过标记来消除掉，在概率归一化之后单光子比例明显变高。将这种光源应用于QKD系统中，再结合主动或被动诱骗态方法，可以实现接近理想情况下的QKD性能。
　　本文总结了作者攻读博士学位期间在量子密钥分配系统中的亚泊松分布光源与诱骗态方法等实用化方面的主要研究内容，主要包括以下几项内容:
　　1.我们寻找了一种光源，既不包含真空态，又含有较高比例的单光子成分，结合诱骗态方法就可以实现与理想单光子源相媲美的结果。增单光子相干态就是这样一种光源，我们分别将其应用于BB84协议和测量设备无关(MDI)协议当中，分析密钥产生率和最远的传输距离，并与另外两种实际的光源进行比较，可以明显地看出比二者的优越性。
　　2.标记单光子源(HSPS)是通过对参量下转换产生的光子对中的一路进行探测来标记另外一路而得到，因此这就消除掉了大部分的真空脉冲，在QKD中可以提高传输距离。利用这一特性，我们搭建了一套使用PPLN晶体产生高亮度的HSPS，并结合被动式诱骗态将其应用于相位编码BB84QKD系统中，最后可以实现200km的密钥传输，密钥率能够达到和使用弱相干光比拟的水平。
　　3.弱相干光的光子数分布为泊松分布，当衰减到一定光子数水平时，会包含大量真空态且单光子成分低，因此会限制QKD的性能。针对这种情况，有人提出一种基于线性光学元件的非泊松光源，设计出一种被动式诱骗态方案，既可以提高系统安全性，又提高了性能。我们在该被动诱骗态方案的基础上提出了一种改进方案，这种方法可以更加精确地估计单光子成分对密钥率的贡献，因此可以提高系统的性能，显示出比原始被动式诱骗态和3强度诱骗态方案的优越性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 经典密码学简介

1．2 量子计算机与量子密钥分配

1．3 论文内容安排

参考文献

第二章 量子密钥分配概述

2．1 量子密钥分配协议

2．1．1 BB84协议

2．1．2 测量设备无关协议

2．2 诱骗态方法

2．2．1 光子数分离攻击

2．2．2 诱骗态方法

2．3 量子密钥分配中的光源

2．3．1 衰减激光脉冲

2．3．2 亚泊松分布光源

2．4 典型的量子密钥分配系统

2．5 本章小结

参考文献

第三章 基于增单光子相干态光源的量子密钥分配

3．1 增单光子相干态

3．1．1 增单光子相干态的性质

3．1．2 增单光子相干态的制备

3．2 基于SPACS的QKD诱骗态分析

3．2．1 基于SPACS的2强度诱骗态BB84 QKD协议

3．2．2 基于SPACS的2强度诱骗态MDI-QKD协议

3．2．3 基于SPACS的3强度诱骗态MDI-QKD协议

3．3 基于SPACS光源MDI-QKD协议的有限长分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 基于标记单光子源的量子密钥分配实验

4．1 标记单光子源光子数分布

4．2 标记单光子源的参数估计

4．2．1 模型参数估计

4．2．2 实验验证

4．3 基于标记单光子源的被动诱骗态BB84 QKD实验

4．3．1 被动诱骗态BB84 QKD方案

4．3．2 理论分析与实验结果

4．4 本章小结

参考文献

第五章 基于线性光学元件的被动诱骗态量子密钥分配

5．1 基于线性光学元件的被动式诱骗态方案

5．2 改进的被动式诱骗态方案

5．2．1 改进的方案模型

5．2．2 数值仿真

5．3 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果