基于單光子源的量子密碼術(shù)研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)因特網(wǎng)、數(shù)字簽名、電子商務(wù)和數(shù)字現(xiàn)金的推廣，信息交換的安全性日益重要。保證信息安全的最方便的方法是密碼術(shù)。密碼術(shù)的安全性在于密鑰的安全性?，F(xiàn)在通用的經(jīng)典密碼術(shù)的安全性受到不斷增強(qiáng)的計(jì)算能力的威脅。經(jīng)典密鑰原則上可以被竊聽(tīng)而不被發(fā)現(xiàn)，即使采用最嚴(yán)密的保密措施，也無(wú)法保證它的絕對(duì)安全。 量子密碼術(shù)使用一個(gè)個(gè)的光子來(lái)承載信息，通過(guò)量子傳輸在合法用戶之間產(chǎn)生絕對(duì)保密的密鑰，這個(gè)過(guò)程被稱為量子密鑰分配QKD(Quantum Ke

2、y Distribution)或量子密鑰分發(fā)。量子密碼術(shù)使用QKD過(guò)程產(chǎn)生的密鑰來(lái)加、解密經(jīng)典信息，可實(shí)現(xiàn)不可破譯、不可竊聽(tīng)的保密通信，其安全性由量子力學(xué)的基本定理保證。目前光纖信道中的QKD已經(jīng)逐步成熟，自由空間中的QKD也不斷取得突破。已經(jīng)從理論和地面模擬實(shí)驗(yàn)上證明了星地QKD的可行性。人們致力于開(kāi)發(fā)安全性更強(qiáng)、傳輸距離更遠(yuǎn)、密鑰產(chǎn)生速率更快的QKD系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)全球化的量子保密通信是量子密碼術(shù)的最終目的。 量子態(tài)的無(wú)損傳輸對(duì)擴(kuò)

3、大QKD系統(tǒng)傳輸距離，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球性的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)有重大的意義。QKD系統(tǒng)的光源主要有單光子光源和糾纏光源兩種。其中使用單光子源的偏振編碼的QKD系統(tǒng)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)際QKD系統(tǒng)中常用弱相干激光脈沖WCP(Weak Coherent Pulse)來(lái)代替理想單光子光源。QKD系統(tǒng)中量子(光子)傳輸?shù)耐ǖ婪Q為量子信道，它的物理實(shí)現(xiàn)包括：大氣湍流信道(即所謂的自由空間)、光纖以及真空信道。弱相干態(tài)在包含大氣湍

4、流的隨機(jī)量子信道中傳輸時(shí)，光束能量和質(zhì)量都將不可避免地受到影響，大大限制了自由空間QKD系統(tǒng)的傳輸距離和適用范圍。因此對(duì)WCP態(tài)在隨機(jī)量子信道中的傳輸特性的分析非常必要。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)量子信道的研究主要集中在信道容量與量子糾纏的關(guān)系，以及光場(chǎng)與原子相互作用的量子信息保真度等方面，其應(yīng)用主要面向量子計(jì)算(如量子糾錯(cuò)編碼)和量子通信(如量子隱形傳態(tài))。對(duì)QKD系統(tǒng)中的光信號(hào)在隨機(jī)量子信道中的傳輸特性研究非常少。 本文采用量子運(yùn)算來(lái)描述

5、量子信道對(duì)量子態(tài)的傳輸特性。以量子力學(xué)的觀點(diǎn)，從保真度的基本定義出發(fā)，推導(dǎo)了自由空間QKD系統(tǒng)的量子傳輸信道——大氣湍流信道對(duì)弱相干態(tài)光場(chǎng)的保真度。分析了大氣信道作為隨機(jī)量子信道的性能，并討論了隨機(jī)量子信道與振幅阻尼信道的關(guān)系。另外，本文還給出了考慮湍流大氣影響時(shí)QKD系統(tǒng)誤碼率的表達(dá)式。采用矩陣的奇異值分解，給出了考慮湍流大氣影響時(shí)，BB84協(xié)議和B92協(xié)議QKD系統(tǒng)誤碼率的上限，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算和分析。 QKD系統(tǒng)的信號(hào)非常微

6、弱，極易淹沒(méi)在噪聲中。背景光和單光子探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)是最主要的噪聲來(lái)源。本文分析了這些噪聲對(duì)QKD系統(tǒng)信噪比的影響，介紹了相應(yīng)的改進(jìn)和抑制措施。單光子探測(cè)器的后脈沖效應(yīng)是限制實(shí)際QKD系統(tǒng)最大密鑰產(chǎn)生速率的因素，本文介紹了抑制后脈沖效應(yīng)的方法。此外，本文提出了使用成熟商用器件搭建實(shí)際的QKD系統(tǒng)時(shí)，面臨的空間光．多模光纖耦合的問(wèn)題。分析了耦合條件對(duì)星地QKD系統(tǒng)的跟瞄精度和信號(hào)發(fā)散角的要求，以及耦合效率對(duì)QKD系統(tǒng)探測(cè)概率的影響。

7、 理論上量子力學(xué)的基本定理保證了QKD系統(tǒng)的絕對(duì)安全性，但使用現(xiàn)實(shí)中性能不完美的器件來(lái)構(gòu)建一個(gè)絕對(duì)保密的QKD系統(tǒng)卻不是容易的事情。本文給出了使用弱相干光源的自由空間QKD系統(tǒng)的在光子束分攻擊下的最大安全傳輸距離、大氣傳輸衰減，以及星地QKD系統(tǒng)在光子束分攻擊下的最大安全傳輸天頂角。這些研究?jī)?nèi)容和得出的結(jié)果對(duì)實(shí)際的QKD系統(tǒng)設(shè)計(jì)有非常積極的參考意義。 另外本文還特別提出一種一星多站的多址星地QKD方案，這種方案既可以增加QKD系