关键词:
量子密钥分发
连续变量
实际安全性
性能
光源监控
测量设备无关
偏振复用
摘要:
量子密钥分发是量子密码学领域的重要技术之一,其借助于量子物理学中的不可克隆原理,能够使合法通信双方实现信息论上无条件安全的密钥分发。通常根据编码密钥信息的量子态的维度,量子密钥分发分为离散变量和连续变量两大类。其中离散变量量子密钥分发较早被研究人员提出,这类协议多利用单光子的相位和偏振等进行密钥信息的编码,作为信息载体的量子态所处的空间是有限维的。连续变量量子密钥分发使用的量子态所处的空间是无限维的,编码密钥的信息载体是光场正则分量,其产生较晚,但是一经提出很快获得了广泛的关注,尤其是其中的相干态类协议。这是因为其利用经典相干光通信系统中成熟的标准电信器件就可以实现,显著地降低了对量子态制备和探测技术的要求,此外,其抵抗串扰能力更强,具有与经典光通信网络兼容的能力,能够进一步节省实际部署的成本,因而展现出了获得大规模实际应用的潜能。安全性是整个量子密钥分发领域的基石,是量子密钥分发首先要保证的关键。尽管连续变量量子密钥分发的理论安全性分析发展较为完善,但其在走向实际应用的道路中,还面临着实际系统与理论模型不匹配的问题,这将导致安全性漏洞的出现,系统将存在被窃听者攻击的风险。因此需要采取相应的措施,一方面通过设计不依靠可信设备的协议,但其完善的安全性证明的实现较为困难;另一方面可以通过在实际系统中增加监控模块,由于其实现方便,是解决此问题的可行方案。在保证安全性的前提下,实际的连续变量量子密钥分发系统追求的目标是在尽可能简化的系统结构下实现高性能,包括更长的安全传输距离和更高的安全密钥速率。针对以上在实际环境下连续变量量子密钥分发系统所面临的两大问题,本论文进行了如下的研究工作:1.针对实际的单路连续变量量子密钥分发系统光源端的安全性问题,分析并指出了传统的光源监控方案可能导致的安全性漏洞,并提出了一种新型的光源监控方案。光源监控对于实际的连续变量量子密钥分发系统极其重要,因为它是保障实际安全性的第一道屏障,然而在实际环境下,我们经分析发现光源噪声主要来源之一的激光器的相对强度波动,现有的光源监控方案会造成安全码率高估,从而导致安全性漏洞出现,窃听者可以利用它掩盖其攻击行为。我们提出了一种利用一次散粒噪声单位标定方法的实际光源监控方案,其能够实时监测相对强度噪声对最终安全码率的影响,从而关闭由其引发的安全性漏洞,达到增强实际系统安全性的目的。2.针对连续变量测量设备无关量子密钥分发系统光源端的安全性问题,提出了使用一次散粒噪声单位标定的光源监控方案。连续变量测量设备无关量子密钥分发能够抵御所有针对探测端的攻击,但是光源端的安全性却仍然无法保障,因此需要通过光源监控保障实际安全性。为了能够使光源监控结果在激光器强度存在波动的情况下准确反映实际的光源输出结果,我们采用使用一次散粒噪声单位标定方法的光源监控方案,并且根据连续变量测量设备无关量子密钥分发系统中Alice和Bob两个光源端对资源的分配情况,分析了三种光源监控情况下的安全性。结果表明,连续变量测量设备无关量子密钥分发系统在使用任意一种光源监控方案时都能够获得比较优良的性能,更重要的是,激光器的相对强度噪声的影响可以被实时监控,在增强了测量设备无关系统的实际安全性的同时,不会导致新的安全性问题。3.针对连续变量量子密钥分发系统的性能提升问题,提出通过偏振复用提高连续变量量子密钥分发系统的安全码率,并首次进行了双偏振调制的原理性验证实验。目前的连续变量量子密钥分发系统仅利用了一个偏振通道编码密钥信息,另一路正交的偏振通道是闲置的,这造成了珍贵的信道资源的浪费。为了进一步提高信道的频谱效率,提升系统最终的安全码率,采用偏振复用技术进行连续变量量子密钥分发,并提出了一种能够对偏振复用系统中相位漂移和偏振混叠同时进行补偿的双参考方案。我们首次通过原理性验证实验验证了其在双偏振调制系统上的可行性。该补偿方案无需增加硬件结构,通过后处理即可实现,能够简化系统实施的复杂度。四态调制协议的安全性分析表明该偏振复用系统有望在25 km传输距离下实现50 kbps的安全码率。除了能够提升安全码率,该系统消除了对于偏振控制的需要,并且能够应用成熟的相干光模块来构建,进一步降低了系统实现的成本,具有广泛的实际应用前景。