量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和機(jī)制.pdf

1、量子密鑰分配(QuantumKeyDistribution，QKD)能夠在兩個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)體Alice、Bob之間絕對安全的共享密鑰，這個(gè)過程依靠的是量子力學(xué)的物理定律而不是通常密鑰分配所依賴的計(jì)算復(fù)雜度，從而讓密碼系統(tǒng)的安全性提高到了一個(gè)新的高度。迄今為止，QKD在理論上和實(shí)驗(yàn)上都取得了很大的進(jìn)展，世界上眾多研究小組研制的實(shí)際系統(tǒng)無論密鑰傳輸速率、傳輸距離還是系統(tǒng)穩(wěn)定性方面都有了大的突破，而少數(shù)公司也開始提供商業(yè)的點(diǎn)到點(diǎn)QKD設(shè)備。

2、 QKD網(wǎng)絡(luò)是未來QKD向多用戶、高速率、長距離發(fā)展的必然趨勢。正因?yàn)槠渲匾?，近年來美歐日等國家都不約而同的加大了對QKD網(wǎng)絡(luò)的投入和研究，近年來也提出了不少的網(wǎng)絡(luò)方案。然而，QKD網(wǎng)絡(luò)在理論架構(gòu)上一直沒有系統(tǒng)的研究，從而影響了其進(jìn)一步的發(fā)展。本文首次系統(tǒng)的研究QKD網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，其主要內(nèi)容如下： 1.將目前已經(jīng)提出的各種QKD網(wǎng)絡(luò)方案進(jìn)行分類研究，首次按照實(shí)現(xiàn)的不同特點(diǎn)將其明確的劃分為信任中繼網(wǎng)絡(luò)(TRN-QKD)、無源光器件

3、網(wǎng)絡(luò)(PON-QKD)和量子糾纏網(wǎng)絡(luò)(QEN-QKD)，分別進(jìn)行討論。 2.針對信任中繼網(wǎng)絡(luò)中信任節(jié)點(diǎn)可能會(huì)被攻擊而使得網(wǎng)絡(luò)不可靠的情形，我們提出了節(jié)點(diǎn)安全概率模型，在此基礎(chǔ)上采用多路徑秘密共享以及隨機(jī)路由的方案在很大概率上可以保證網(wǎng)絡(luò)在該情形下的安全性，計(jì)算結(jié)果也證明了該方案的明顯效果；針對密鑰生成速率與加密數(shù)據(jù)的速率可能不同步，建立了信任中繼網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)模型，采用預(yù)緩沖策略改善其延時(shí)性能；最后參考經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)編碼的理論，我們也對信任

4、中繼網(wǎng)的多用戶密鑰共享情況下的網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行了移植。 3.歸納總結(jié)了采用各種無源光器件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，包括了分束器網(wǎng)絡(luò)、光開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)、波長總線網(wǎng)絡(luò)、波長路由網(wǎng)絡(luò)等。關(guān)于這類網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)方案，但尚沒有統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和分析方法。本文第一次給出了對一般無源光器件網(wǎng)絡(luò)具有普適性的網(wǎng)絡(luò)評價(jià)指標(biāo)體系的初級模型，提出包括網(wǎng)絡(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)連通度、網(wǎng)絡(luò)成本模型包括終端用戶成本和網(wǎng)絡(luò)路由的成本等指標(biāo)。以此對五種常見PON-QKD的性價(jià)比進(jìn)

5、行了橫向比較。 4.針對以一般糾纏態(tài)為基礎(chǔ)的量子糾纏網(wǎng)絡(luò)，我們著重考慮任意兩個(gè)用戶之間由一般糾纏態(tài)轉(zhuǎn)換到最大糾纏態(tài)的概率(SingletConversionProbability，SCP)，這個(gè)概率也代表了密鑰建立的成功概率。在單個(gè)量子復(fù)發(fā)器(QuantumRepeater)的情況下，給出糾纏保留的最佳策略，并將其推廣到1維量子糾纏鏈。對于2維量子糾纏網(wǎng)絡(luò)，在兩用戶相隔距離不是太遠(yuǎn)的情況下，采用多路徑糾纏方案可以很好的提高最終S

6、CP概率。而在距離比較遠(yuǎn)的情況下，我們應(yīng)用經(jīng)典渝滲理論的概念，利用量子渝滲過程，讓SCP基本等于渝滲概率的平方，從而不受距離的影響。我們也提出了量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的漸進(jìn)性渝滲和各向異性渝滲概念。 5.分析了在經(jīng)典光網(wǎng)絡(luò)下，經(jīng)典噪聲給QBER帶來的影響。在QKD與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合方面，針對當(dāng)前廣泛使用的Internet和虛擬專用網(wǎng)(VitualPrivateNetwork，VPN)技術(shù)，首次明確給出了QKD在PPP隧道技術(shù)和IPSec協(xié)議