實(shí)際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)安全性的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、量子保密通信是量子信息和計(jì)算機(jī)科學(xué)完美結(jié)合的一個(gè)交叉領(lǐng)域，它利用量子理論為實(shí)現(xiàn)真正的保密信息交換提供了一個(gè)理論上無條件安全的方法。量子保密通信領(lǐng)域正蓬勃發(fā)展，從1984年Bennett和Brassard提出以他們命名的BB84協(xié)議這一經(jīng)典的量子密鑰分發(fā)協(xié)議(QKD)以來，量子保密通信逐漸從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、短距離、低成碼率的QKD模型，發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)距離，以及高效率高成碼率高穩(wěn)定性的實(shí)用系統(tǒng)。目前國內(nèi)外已有許多公司對(duì)QKD系統(tǒng)進(jìn)行了商業(yè)化

2、生產(chǎn)，國內(nèi)的QKD網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍也逐漸擴(kuò)大，比如目前已運(yùn)行的合肥網(wǎng)、濟(jì)南網(wǎng)以及2016年預(yù)計(jì)開通的QKD京滬干線。
　　伴隨實(shí)際QKD系統(tǒng)的逐漸發(fā)展和成熟，量子安全性問題以及現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的安全性漏洞也逐漸被大家所認(rèn)識(shí)和重視。目前已逐漸提出了一些針對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)漏洞的量子黑客攻擊方案，而且其中一些方案實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單而有效的攻擊系統(tǒng)演示。這些攻擊方案扎根于現(xiàn)實(shí)QKD系統(tǒng)和理論系統(tǒng)假設(shè)之間的偏差，例如量子理論中不可克隆定理要求光源為單光子源，而現(xiàn)實(shí)

3、系統(tǒng)中很難產(chǎn)生單光子源，一般簡(jiǎn)單以弱相干光源代替。然而其中的多光子成分則可以提供量子比特的完美備份，從而泄露信息給竊聽者。
　　本論文作者在博士期間主要的工作主要是對(duì)QKD系統(tǒng)的研究，主要集中在對(duì)安全性相關(guān)的研究工作，包括對(duì)光源子系統(tǒng)的漏洞分析、攻擊方案設(shè)計(jì)和演示，以及對(duì)測(cè)量設(shè)備無關(guān)的QKD(MDIQKD)協(xié)議的系統(tǒng)集成化、實(shí)用化設(shè)計(jì)。本文主要介紹QKD相關(guān)的理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以及本人在博士期間的相關(guān)工作。在光源攻擊方面，文中分

4、析了相位非隨機(jī)化光源的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)所存在的安全性漏洞，以及如何利用此漏洞設(shè)計(jì)攻擊方案和進(jìn)行攻擊演示。該工作證明了相位隨機(jī)化在提取安全密鑰過程中的重要性。在測(cè)量設(shè)備無關(guān)QKD(MDIQKD)方面，研究MDIQKD的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)高速、高性能、高穩(wěn)定性MDIQKD系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了世界最遠(yuǎn)距離室內(nèi)MDIQKD實(shí)驗(yàn)，以及外場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該工作是在QKD領(lǐng)域中非常關(guān)鍵的一步，刷新了量子通信安全傳輸?shù)氖澜缂o(jì)錄。該工作中實(shí)現(xiàn)的高質(zhì)量Bell態(tài)測(cè)量

5、技術(shù)也為其它量子通信任務(wù)提供了一份技術(shù)參考。在此基礎(chǔ)上，文中進(jìn)一步介紹了本人后續(xù)的MDIQKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作，利用光開關(guān)切換各個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行了三節(jié)點(diǎn)的星形MDIQKD網(wǎng)絡(luò)。MDIQKD本身具備擴(kuò)展為星形網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，而且可以將安全性不依賴的探測(cè)設(shè)備放在星形網(wǎng)絡(luò)中心被各星形網(wǎng)絡(luò)外圍的各節(jié)點(diǎn)共享。和MDIQKD相關(guān)，文中也介紹了和MDIQKD類似的探測(cè)設(shè)備無關(guān)QKD協(xié)議即DDIQKD，本人對(duì)DDIQKD進(jìn)行了相位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相比偏振系統(tǒng)，相位編碼