量子密鑰分發(fā)實時處理技術(shù)研究

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1、中圈料謄艘求犬謄博士學(xué)位論量子密鑰分發(fā)實時處理技術(shù)研究作者姓名:學(xué)科專業(yè):導(dǎo)師姓名:完成時間:崔珂物理電子學(xué)金革教授王堅副教授二。一四年五月二日又UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeResearchofReal-.time■I■■-●■PrOCeSSIngleCnnOlogVInQuantumKeyDistributionAuthor’SName";pecialityspeclallW::Supervisor:Finishedtime:KeCuiPhysicalelec

2、tronicsProf.GeJinAssoc.Prof.JianWangMay2徹,2014中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作所取得的成果。除已特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。作者簽名:雀蘭要簽字日期:絲比!:≥。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明作為申請學(xué)位的條件之一,學(xué)位論文著作權(quán)擁有者授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán),即:學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許

3、論文被查閱和借閱,可以將學(xué)位論文編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。本人提交的電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。/g公開口保密(——年)作者簽名:崔珥簽字日期::囟肚莖:公導(dǎo)師簽簽字日期:—m障導(dǎo)弓L∥岔V6摘要量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)是量子物理原理在密碼學(xué)領(lǐng)域獲得實用化應(yīng)用最早的一個研究領(lǐng)域。它分發(fā)的密鑰具有“絕對安全"的特性,這個特性來源于量子力學(xué)中的不可克隆原理和測量塌縮理論,具有很高的軍事和民用價值。1991年誕生了世界上第一個QKD系統(tǒng)原型,它只是一個簡單的演示系統(tǒng),由Bennette等

4、人完成。隨后出現(xiàn)更為復(fù)雜和完善的QKD系統(tǒng),QKD的通訊距離和密鑰生成速率都在不斷的提高。QKD系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在,已經(jīng)進(jìn)入到了多用戶互聯(lián)的QKD網(wǎng)絡(luò)時代,而QKD網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也在不停的優(yōu)化和升級當(dāng)中。當(dāng)今QKD網(wǎng)絡(luò)的杰出代表有歐洲的SECOQC量子網(wǎng),日本的東京高速量子網(wǎng),和中國的全通型量子通話網(wǎng)以及“合肥一六安一舒城”的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。QKD系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了高速(高密鑰生成速率)的階段,應(yīng)用最新的半導(dǎo)體工藝技術(shù),采用1GHz以上發(fā)射頻率的激光器,使用探測效率極高的超導(dǎo)探測器,獲得成碼率更高的QKD系統(tǒng)。QKD系統(tǒng)實時處理的壓力在于QKD后處理過程,因為它是QKD系統(tǒng)

5、電子學(xué)處理延遲最大的模塊。QKD后處理過程是為了消除Alice和Bob密鑰的不同和提高安全性采取一系列操作,它包括四個步驟:基矢比對,身份認(rèn)證,糾錯和隱私放大。本文以滿足高速Q(mào)KD系統(tǒng)為目標(biāo),重點研究了QKD后處理過程中的實時技術(shù)。從實現(xiàn)實時技術(shù)的平臺方面考慮,隨著對QKD系統(tǒng)設(shè)備的小型化和便攜性需求方面的提高,同時結(jié)合近些年發(fā)展迅速的FieldProgrammableGateArray(FPGA)技術(shù),本文重點研究了基于FPGA的QKD實時處理技術(shù)。QKD系統(tǒng)實時處理技術(shù)在硬件內(nèi)的實現(xiàn)具有特定的優(yōu)勢,可以省去QKD設(shè)備和電腦通訊的數(shù)據(jù)帶寬壓力,充分利用后處理過程中的并

6、行潛力提高處理速度。以QKD系統(tǒng)實時處理技術(shù)為主線,本文的研究內(nèi)容包括:高效快速的糾錯算法,高數(shù)據(jù)吞吐量的身份認(rèn)證和高速數(shù)據(jù)交換的經(jīng)典通道。對于糾錯模塊,我們設(shè)計和實現(xiàn)了兩種不同的方案:基于Winnow的快速糾錯算法和基于LDPC糾錯碼的快速糾錯算法。其中基于Winnow的糾錯算法在糾錯效率和速度方面都有不錯的表現(xiàn),是我們目前中低速的QKD系統(tǒng)中成功應(yīng)用的算法。而基于LDPC糾錯碼的糾錯算法,糾錯時候只需要交互一次信息,在傳輸延遲大的系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)勢最大,另外它在糾錯效率和速度方面都有可以大幅提升的潛力,是后續(xù)高速Q(mào)KD系統(tǒng)中有望廣泛采用的算法?;赪innow的快速糾錯算

7、法的采用的基本糾錯碼是Hamming碼,從Winnow的基本思想出發(fā),我們在段長選取,循環(huán)次數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行優(yōu)化,并且提出了使用雙線性移位寄存器摘要(LFSR)的隨機(jī)置換方案,可以獲得和使用真隨機(jī)數(shù)一樣的“打亂"效果。基于LDPC糾錯碼的快速糾錯算法采用QC.LDPC作為校驗矩陣,應(yīng)用半串行解碼算法,該算法的算法結(jié)構(gòu)簡單,沒有復(fù)雜的雙曲函數(shù)運(yùn)算和乘除運(yùn)算,適合硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn),另外該算法相對于傳統(tǒng)的BP解碼算法可以節(jié)省大部分的存儲資源。在算法結(jié)構(gòu)方面,我們提出了一個新穎的信息鉗位功能函數(shù),實現(xiàn)簡單,可以極大的提升糾錯性能。對于身份認(rèn)證模塊,我

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