高速测量设备无关量子密钥分发系统的集成化研究
发布时间：2022-01-03 06:19
量子通信是利用量子物理原理,来实现量子信息处理与传递的一门学科。它的一个重要研究方向是量子加密技术,该技术可以保护通信双方的信息不被第三者窃听。而量子加密技术中最著名应用的是量子密钥分发（quantum key distribution,QKD）,该技术已经实现商用化。QKD的安全性由量子物理正确性来保证,即量子不可克隆原理——任何未知的量子态都不能被精确复制。自1984年,由Bennett和Brassard提出的BB84协议开始,QKD的理论安全性与实验研究都有了长足的发展,其中的代表性工作包括,GLLP（Gottesman-Lo-Lutkenhaus-Preskill,以提出者首字母命名）框架,诱骗态协议,测量设备无关 QKD（measurement-device-independent QKD,MDI-QKD）,“京沪干线”量子通信网络以及“墨子号”量子卫星等等。而未来亟需解决的是QKD网络的实用化问题。首先是现实的安全性问题,其次是如何实现距离更远,码率更高,成本更低的QKD网络。现有QKD网络是基于可信中继来实现的,可信中继存在被窃听者攻击甚至控制的风险,这将带来安全性隐患。...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１非对称加密过程
引了许多的研宄努力，并将ＱＫＤ从实验室的初步想法带到了实际应用中。ＱＫＤ??允许两个合法的用户（通常称为Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ）在存在窃听者（通常称为Ｅｖｅ）的??情况下能安全地进行通信。经典密码协议的安全性是基于未经证实的计算假设，??与之相反，ＱＫＤ的无条件安全性依赖于量子物理学的基本定律。下面将介绍几??种主要的ＱＫＤ协议及其安全性。??１．２．１?ＢＢ８４?协议??ＢＢ８４协议是第一个被提出的也是最常见的ＱＫＤ协议，它以发明者Ｂｅｎｎｅｔｔ??和Ｂｒａｓｓａｒｄ的名字命名。如图１．２所示，它是一种制备－测量框架下的协议，其中??一方（例如Ａｌｉｃｅ）通过制备量子态来进行编码，另一方（例如Ｂｏｂ）对这些量??子态进行测量。下面我们将描述使用光子的偏振进行编码的ＢＢ８４?ＱＫＤ协议过??程。（光子的其他自由度（如相位）也能用于编码，且过程类似。）??Ｂｏｂ??Ｈ／Ｖ?Ｂａｓｉｓ??Ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ?ＡＵｃｅ??Ｈｏｎ，ｏ？ｔａ，－Ｖｅｒｔｉｃａｌ?＾?＾?＾??Ｄｋｇｏｎａｌ（＾＋４５°）?＼?＾??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ａｌｉｃｅ＇ｓ?Ｂｉｔ?Ｓｅｑｕｅｎｃｅ?１１?１００１００１０１０??Ｂｏｂ＇ｓ?Ｂａｓｅｓ??Ｂｏｂ＇ｓ?Ｒｅｓｕｌｔｓ?０?１０－０１１１１－?１?〇??ＫＬ？ｙ?－?１?－?－?０１?－?－?１?－?１０??图１．２?ＢＢ８４协议示意图。以偏振编码为例，Ａｌｉｃｅ在两个正交基矢下随机发送４种偏??振态。Ｂｏｂ随机选择一个基矢做测量。根据基矢比对结果，进行筛眩图片来源：??ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｑｔｕｍｉｓｔ．ｃｏｍ／ｐｏｓｔ／２１７８ｏ??２??
?第２章量子密钥分发系统的安全性???表２．１?Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ的比特翻转操作，??￣?投影到投影到??Ｚ基矢?比特翻转?比特翻转??Ｘ基矢?比特翻转?比特不翻转??ｆ?Ｃｈａｒｌｉｅ?ＢＳＭ??Ｄ１Ｈ?Ｄ２ｈ??Ｄｉｖ?ｊＡＪＡｉ?〇２Ｖ??＾?ＢＳ?Ｎ?－ｙ￣??图２．１偏振编码的ＭＤＩ－ＱＫＤ装置??２．３．２协议的安全性??ＭＤＩ－ＱＫＤ的安全性证明是基于时间反演的ＥＰＲ量子密钥分发协议［１２（Ｍ２１】??和诱骗态协议［４８，５（），１６６］的。利用诱骗态协议，八１＾和８〇１３可以得到单光子态所??贡献的“增益”（ｇａｉｎ）和ＱＢＥＲ。在讨论ＭＤＩ－ＱＫＤ的安全性时，我们需要考虑??一个虚拟的协议：Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ不再制备单光子的ＢＢ８４量子态，而是各自制备??如下的ＥＰＲ量子态：??＋ｘ?＼Ｈ）ａ＼Ｖ）ａ，?＋?＼Ｖ）ａ＼Ｈ）ａ，??Ｗ＋）ａａ＇?＝?＇?（２－１４）??＼／２??，．．．＋、?＼Ｈ）ｂ＼Ｖ）ｂ，?＋?＼Ｖ）ｂ＼Ｈ）ｂ，??１＾?）ｂｂ＇?＝?７??（２．１５）??＼／２??其中下标Ａ和５＇表示在Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ端的虚拟系统，通过对Ａ＇和皮系统的??测量，Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ决定最终编码的量子态，并将４和系统发送到Ｃｈａｒｌｉｅ端??进行ＢＳＭ。在这个过程中，Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ可以将他们的虚拟量子比特保存在一个??量子存储器中，他们可以将对于虚拟量子比特的测量推迟到Ｃｈａｒｌｉｅ宣布他获得??一次成功的探测事件之后。在这里我们只讨论了?Ｃｈａｒｌｉｅ得到结果为｜ｖ／＋＞的情??况，而对于Ｃｈａｒｌｉｅ得到结果为丨少―〉的分析是类似的。Ｃｈａ
本文编号：3565739
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１非对称加密过程
引了许多的研宄努力，并将ＱＫＤ从实验室的初步想法带到了实际应用中。ＱＫＤ??允许两个合法的用户（通常称为Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ）在存在窃听者（通常称为Ｅｖｅ）的??情况下能安全地进行通信。经典密码协议的安全性是基于未经证实的计算假设，??与之相反，ＱＫＤ的无条件安全性依赖于量子物理学的基本定律。下面将介绍几??种主要的ＱＫＤ协议及其安全性。??１．２．１?ＢＢ８４?协议??ＢＢ８４协议是第一个被提出的也是最常见的ＱＫＤ协议，它以发明者Ｂｅｎｎｅｔｔ??和Ｂｒａｓｓａｒｄ的名字命名。如图１．２所示，它是一种制备－测量框架下的协议，其中??一方（例如Ａｌｉｃｅ）通过制备量子态来进行编码，另一方（例如Ｂｏｂ）对这些量??子态进行测量。下面我们将描述使用光子的偏振进行编码的ＢＢ８４?ＱＫＤ协议过??程。（光子的其他自由度（如相位）也能用于编码，且过程类似。）??Ｂｏｂ??Ｈ／Ｖ?Ｂａｓｉｓ??Ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ?ＡＵｃｅ??Ｈｏｎ，ｏ？ｔａ，－Ｖｅｒｔｉｃａｌ?＾?＾?＾??Ｄｋｇｏｎａｌ（＾＋４５°）?＼?＾??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ａｌｉｃｅ＇ｓ?Ｂｉｔ?Ｓｅｑｕｅｎｃｅ?１１?１００１００１０１０??Ｂｏｂ＇ｓ?Ｂａｓｅｓ??Ｂｏｂ＇ｓ?Ｒｅｓｕｌｔｓ?０?１０－０１１１１－?１?〇??ＫＬ？ｙ?－?１?－?－?０１?－?－?１?－?１０??图１．２?ＢＢ８４协议示意图。以偏振编码为例，Ａｌｉｃｅ在两个正交基矢下随机发送４种偏??振态。Ｂｏｂ随机选择一个基矢做测量。根据基矢比对结果，进行筛眩图片来源：??ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｑｔｕｍｉｓｔ．ｃｏｍ／ｐｏｓｔ／２１７８ｏ??２??
?第２章量子密钥分发系统的安全性???表２．１?Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ的比特翻转操作，??￣?投影到投影到??Ｚ基矢?比特翻转?比特翻转??Ｘ基矢?比特翻转?比特不翻转??ｆ?Ｃｈａｒｌｉｅ?ＢＳＭ??Ｄ１Ｈ?Ｄ２ｈ??Ｄｉｖ?ｊＡＪＡｉ?〇２Ｖ??＾?ＢＳ?Ｎ?－ｙ￣??图２．１偏振编码的ＭＤＩ－ＱＫＤ装置??２．３．２协议的安全性??ＭＤＩ－ＱＫＤ的安全性证明是基于时间反演的ＥＰＲ量子密钥分发协议［１２（Ｍ２１】??和诱骗态协议［４８，５（），１６６］的。利用诱骗态协议，八１＾和８〇１３可以得到单光子态所??贡献的“增益”（ｇａｉｎ）和ＱＢＥＲ。在讨论ＭＤＩ－ＱＫＤ的安全性时，我们需要考虑??一个虚拟的协议：Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ不再制备单光子的ＢＢ８４量子态，而是各自制备??如下的ＥＰＲ量子态：??＋ｘ?＼Ｈ）ａ＼Ｖ）ａ，?＋?＼Ｖ）ａ＼Ｈ）ａ，??Ｗ＋）ａａ＇?＝?＇?（２－１４）??＼／２??，．．．＋、?＼Ｈ）ｂ＼Ｖ）ｂ，?＋?＼Ｖ）ｂ＼Ｈ）ｂ，??１＾?）ｂｂ＇?＝?７??（２．１５）??＼／２??其中下标Ａ和５＇表示在Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ端的虚拟系统，通过对Ａ＇和皮系统的??测量，Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ决定最终编码的量子态，并将４和系统发送到Ｃｈａｒｌｉｅ端??进行ＢＳＭ。在这个过程中，Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ可以将他们的虚拟量子比特保存在一个??量子存储器中，他们可以将对于虚拟量子比特的测量推迟到Ｃｈａｒｌｉｅ宣布他获得??一次成功的探测事件之后。在这里我们只讨论了?Ｃｈａｒｌｉｅ得到结果为｜ｖ／＋＞的情??况，而对于Ｃｈａｒｌｉｅ得到结果为丨少―〉的分析是类似的。Ｃｈａ
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