量子密鑰分配網(wǎng)絡研究.pdf

1、從古至今，保密通信一直在人們的生活中占有著重要的位置，并催生出了以此為研究目標的一門自然科學--密碼學，在不斷的加密與破譯的相互斗爭中，這門科學得到了持續(xù)數(shù)千年的發(fā)展?，F(xiàn)代的密碼學主要是以數(shù)學尤其是以數(shù)論為基礎的一門學科，其攻防雙方在最近的幾十年內(nèi)達到近乎平衡的狀態(tài)。然而，量子計算概念的出現(xiàn)打破了這種平衡，使得現(xiàn)用的保密手段面臨著前所未有的威脅，雖然量子計算機還沒有真正研制出來，但潛在的威脅已經(jīng)讓所有的保密工作者體味到一種壓迫感。慶幸的

2、是，在量子計算機原理出現(xiàn)的同時量子密鑰分配也出現(xiàn)了，而且其發(fā)展的速度遠比量子計算機快，它不僅能夠抵御經(jīng)典范圍的所有竊聽手段，也能抵御包括量子計算機在內(nèi)量子攻擊方法，只要現(xiàn)有的物理學基本規(guī)律不被顛覆，它就能從理論上保證無條件的安全。正因為其具有如此高強度的安全系數(shù)，引發(fā)了人們對這一新技術的不斷研究和探索，并取得了令人矚目的成就。在過去15年內(nèi)，提出了許多新的理論方案，采用各種編碼方式，采用不同類型器件的實驗系統(tǒng)相繼問世。端到端系統(tǒng)的傳輸距

3、離和傳輸速率不斷提高，關于安全性的證明也越發(fā)完善和精細，甚至于已經(jīng)有商用的系統(tǒng)在市場上出售。當然，這其中還有很多的技術問題亟待解決，但這并不妨礙人們憧憬未來量子密鑰分配技術的大規(guī)模商用。于是，借鑒傳統(tǒng)通信技術的發(fā)展經(jīng)驗，人們提出了建設量子密鑰分配網(wǎng)絡的新課題。通過建網(wǎng)，可以利用少量的資源服務更多的用戶，不僅溝通了大量用戶，還降低了單個用戶的使用成本，這是該技術走向?qū)嶋H應用的必然途徑。但是，這樣一項新的技術，必然有它的獨特需求，原有的通信

4、網(wǎng)的建設經(jīng)驗并不能完全照搬，因此需要針對這些新的需求和限制提出建設量子密鑰分配網(wǎng)絡的一系列新思路、新方法。 本文的主要內(nèi)容就是針對如何建設量子密鑰分配網(wǎng)絡開展研究的，它包含以下幾方面的內(nèi)容： 1.在介紹量子密鑰分配基本原理和各種不同實驗方案的基礎上，我們提出了一種基于頻率編碼的端到端量子密鑰分配系統(tǒng)。這一方案在繼承了頻率編碼特有優(yōu)勢的同時，改進了之前由法國的一個科研小組提出的頻率編碼方案的不足，即由于方案本身設計不當而導

5、致系統(tǒng)誤碼率的升高。這種采用頻率編碼的端到端系統(tǒng)和已經(jīng)比較成熟的相位編碼、偏振編碼系統(tǒng)一起，都可以作為建設量子密鑰分配網(wǎng)絡的基本單元。 2.根據(jù)在量子網(wǎng)絡中不能有光放大器、不能進行信號測量的特殊要求，我們利用波分復用器件構造了一個星型拓撲結構的量子網(wǎng)絡。它的最大特點就是不必像經(jīng)典通信網(wǎng)中那樣通過在信息上加載目的地址編碼來實現(xiàn)網(wǎng)絡路徑選擇，而是根據(jù)不同波長來標識不同用戶，利用波分復用器件的巧妙組合連接實現(xiàn)不同波長的光量子信號沿不同

6、路徑傳輸并到達指定用戶，從而在避免對量子信號進行測量干擾的前提下，完成自動路徑選擇。與其它方案相比，本網(wǎng)絡具有結構簡單、全連通、效率高的特點。 3.總結歸納了已有的各種關于量子密鑰分配網(wǎng)絡的實現(xiàn)技術，對各種技術進行了簡單比較并分別按照器件特點和地域特點進行分類。在此基礎上提出了評價網(wǎng)絡性能優(yōu)劣的一套可量化標準，以便于今后在建設網(wǎng)絡時有指標可依。 4.提出了對未來建設完整量子保密通信系統(tǒng)的整體規(guī)劃，描繪了該規(guī)劃的架構輪廓，