有限長誘騙態(tài)量子密鑰分配安全性研究.pdf

1、量子密鑰分配（QKD）作為現(xiàn)代密碼學(xué)與量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，已經(jīng)成為一種走向?qū)嵱没男畔踩Ｕ霞夹g(shù)。QKD系統(tǒng)能夠使通信雙方可以利用公開信道協(xié)商產(chǎn)生一致的秘密信息，這些秘密信息通常作為雙方保密通信的密鑰，密鑰是否安全將關(guān)系到雙方保密通信的安全，因此QKD系統(tǒng)產(chǎn)生的密鑰信息的安全自然成為人們最為關(guān)注的核心問題。
　　理想條件下QKD系統(tǒng)已經(jīng)被證明是理論上安全的，但是實(shí)際QKD系統(tǒng)與理想QKD系統(tǒng)不可能完全一致，存在諸如非單光子光源、

2、有限長密鑰、非精確調(diào)制量子態(tài)等非理想因素，已有研究表明，這些非理想因素直接對實(shí)際 QKD系統(tǒng)的安全性構(gòu)成了威脅，研究非理想條件下QKD的實(shí)際安全性已成為QKD系統(tǒng)實(shí)用化過程中必須解決的關(guān)鍵問題。
　　誘騙態(tài)方法可以有效解決實(shí)際光源多光子脈沖帶來的安全隱患問題，因此實(shí)際 QKD系統(tǒng)通常采用誘騙態(tài)方法來進(jìn)行光源調(diào)制。實(shí)際誘騙態(tài) QKD系統(tǒng)在一定運(yùn)行時間內(nèi)的光脈沖數(shù)及數(shù)據(jù)處理長度往往是有限的，其產(chǎn)生的密鑰也是有限長的，針對理想 QKD系

3、統(tǒng)的安全性界限不再適用于有限長誘騙態(tài) QKD系統(tǒng)，因此研究密鑰有限長條件下誘騙態(tài)QKD系統(tǒng)的安全性界限是實(shí)際安全性分析需要解決的重點(diǎn)問題。本文較系統(tǒng)地研究了有限長誘騙態(tài)QKD系統(tǒng)的安全性，主要解決了有限長誘騙態(tài)QKD系統(tǒng)在認(rèn)證密鑰更新、非理想?yún)⒘肯罗D(zhuǎn)換光源、非平衡基矢選取等實(shí)際條件下的安全性界限度量問題，主要完成的工作包括以下幾個方面：
　　1、有限長量子密鑰分配認(rèn)證安全性研究。針對密鑰信息泄漏對實(shí)際QKD系統(tǒng)安全性的影響問題，基

4、于保密放大分析方法，給出了密鑰有限長條件下認(rèn)證密鑰更新的信息泄漏刻畫方法，分析了認(rèn)證密鑰信息泄漏對實(shí)際 QKD系統(tǒng)認(rèn)證安全性帶來的影響。進(jìn)一步圍繞有限長認(rèn)證密鑰在密鑰更新過程中安全強(qiáng)度遞減的問題，提出了初始認(rèn)證密鑰的使用壽命分析模型，給出了有限長初始認(rèn)證密鑰使用壽命的計算表達(dá)式，有效度量了密鑰更新過程中有限長認(rèn)證密鑰的安全強(qiáng)度變化。
　　2、相干攻擊下被動誘騙態(tài)量子密鑰分配有限長分析。參量下轉(zhuǎn)換光源是一種目前技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較成熟的實(shí)際

5、光源，基于參量下轉(zhuǎn)換光源的實(shí)際 QKD系統(tǒng)通常采用被動誘騙態(tài)方案，但已有的密鑰有限長安全性界限局限于聯(lián)合攻擊環(huán)境。本文針對基于參量下轉(zhuǎn)換光源的QKD系統(tǒng)，提出了相干攻擊環(huán)境下被動誘騙態(tài)方案的有限長分析方法，給出了密鑰有限長條件下單光子計數(shù)率和誤碼率的計算表達(dá)式，得到了被動誘騙態(tài) QKD在有限長條件下嚴(yán)格的安全密鑰率界限。數(shù)值分析表明，在密鑰有限長條件下，參量下轉(zhuǎn)換光源被動誘騙態(tài) QKD可以達(dá)到較優(yōu)的實(shí)現(xiàn)性能，系統(tǒng)高工作頻率下的最遠(yuǎn)安全傳

6、輸距離能夠超過弱相干光源主動誘騙態(tài)QKD。
　　3、參量下轉(zhuǎn)換光源測量無關(guān)QKD誘騙態(tài)方案設(shè)計與分析。測量無關(guān)量子密鑰分配（MDI-QKD）能夠克服探測器非理想帶來的安全漏洞問題，比傳統(tǒng)QKD具有更好的實(shí)際安全性，針對弱相干態(tài)光源 MDI-QKD的相關(guān)研究比較成熟，而基于參量下轉(zhuǎn)換光源MDI-QKD的安全性及實(shí)現(xiàn)性能還有待進(jìn)一步研究。本文提出了兩種 MDI-QKD誘騙態(tài)方案：被動二強(qiáng)度誘騙態(tài)方案和主被動三強(qiáng)度誘騙態(tài)方案，給出了相應(yīng)

7、的參數(shù)估計方法并得到了密鑰有限長條件下主被動三強(qiáng)度誘騙態(tài)方案的安全性界限。進(jìn)一步給出了 MDI-QKD使用相位隨機(jī)化參量下轉(zhuǎn)換光源時平均計數(shù)率和誤碼率的計算公式，在此基礎(chǔ)上比較了其采用不同誘騙態(tài)方案時的實(shí)現(xiàn)性能，并分析了密鑰有限長對主被動三強(qiáng)度誘騙態(tài)方案安全性的影響。數(shù)值分析表明，參量下轉(zhuǎn)換光源MDI-QKD的安全密鑰率和最大傳輸距離要優(yōu)于弱相干光源 MDI-QKD，主被動三強(qiáng)度誘騙態(tài)方案的實(shí)現(xiàn)性能要優(yōu)于主動三強(qiáng)度誘騙態(tài)方案，有限長統(tǒng)計

8、漲落會顯著影響參量下轉(zhuǎn)換光源MDI-QKD的實(shí)現(xiàn)性能。
　　4、有限長測量無關(guān)QKD非平衡基矢誘騙態(tài)方案設(shè)計與分析。密鑰有限長引起的統(tǒng)計漲落顯著影響MDI-QKD的實(shí)現(xiàn)性能，如何提高有限長MDI-QKD的實(shí)用性能是目前人們最為關(guān)注的實(shí)際問題。本文提出了一種適用于MDI-QKD的非平衡基矢誘騙態(tài)協(xié)議，在可組合安全框架內(nèi)，給出了密鑰有限長條件下單光子計數(shù)、單光子誤碼、相位誤碼的計算方法和安全密鑰率界限，該協(xié)議最大程度地利用了不同光強(qiáng)組