量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)研究.pdf

1、從古至今，保密通信一直在人們的生活中占有著重要的位置，并催生出了以此為研究目標(biāo)的一門自然科學(xué)--密碼學(xué)，在不斷的加密與破譯的相互斗爭(zhēng)中，這門科學(xué)得到了持續(xù)數(shù)千年的發(fā)展?，F(xiàn)代的密碼學(xué)主要是以數(shù)學(xué)尤其是以數(shù)論為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，其攻防雙方在最近的幾十年內(nèi)達(dá)到近乎平衡的狀態(tài)。然而，量子計(jì)算概念的出現(xiàn)打破了這種平衡，使得現(xiàn)用的保密手段面臨著前所未有的威脅，雖然量子計(jì)算機(jī)還沒有真正研制出來(lái)，但潛在的威脅已經(jīng)讓所有的保密工作者體味到一種壓迫感。慶幸的

2、是，在量子計(jì)算機(jī)原理出現(xiàn)的同時(shí)量子密鑰分配也出現(xiàn)了，而且其發(fā)展的速度遠(yuǎn)比量子計(jì)算機(jī)快，它不僅能夠抵御經(jīng)典范圍的所有竊聽手段，也能抵御包括量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)量子攻擊方法，只要現(xiàn)有的物理學(xué)基本規(guī)律不被顛覆，它就能從理論上保證無(wú)條件的安全。正因?yàn)槠渚哂腥绱烁邚?qiáng)度的安全系數(shù)，引發(fā)了人們對(duì)這一新技術(shù)的不斷研究和探索，并取得了令人矚目的成就。在過去15年內(nèi)，提出了許多新的理論方案，采用各種編碼方式，采用不同類型器件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相繼問世。端到端系統(tǒng)的傳輸距

3、離和傳輸速率不斷提高，關(guān)于安全性的證明也越發(fā)完善和精細(xì)，甚至于已經(jīng)有商用的系統(tǒng)在市場(chǎng)上出售。當(dāng)然，這其中還有很多的技術(shù)問題亟待解決，但這并不妨礙人們憧憬未來(lái)量子密鑰分配技術(shù)的大規(guī)模商用。于是，借鑒傳統(tǒng)通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，人們提出了建設(shè)量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的新課題。通過建網(wǎng)，可以利用少量的資源服務(wù)更多的用戶，不僅溝通了大量用戶，還降低了單個(gè)用戶的使用成本，這是該技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的必然途徑。但是，這樣一項(xiàng)新的技術(shù)，必然有它的獨(dú)特需求，原有的通信

4、網(wǎng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)并不能完全照搬，因此需要針對(duì)這些新的需求和限制提出建設(shè)量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的一系列新思路、新方法。 本文的主要內(nèi)容就是針對(duì)如何建設(shè)量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)開展研究的，它包含以下幾方面的內(nèi)容： 1.在介紹量子密鑰分配基本原理和各種不同實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，我們提出了一種基于頻率編碼的端到端量子密鑰分配系統(tǒng)。這一方案在繼承了頻率編碼特有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，改進(jìn)了之前由法國(guó)的一個(gè)科研小組提出的頻率編碼方案的不足，即由于方案本身設(shè)計(jì)不當(dāng)而導(dǎo)

5、致系統(tǒng)誤碼率的升高。這種采用頻率編碼的端到端系統(tǒng)和已經(jīng)比較成熟的相位編碼、偏振編碼系統(tǒng)一起，都可以作為建設(shè)量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的基本單元。 2.根據(jù)在量子網(wǎng)絡(luò)中不能有光放大器、不能進(jìn)行信號(hào)測(cè)量的特殊要求，我們利用波分復(fù)用器件構(gòu)造了一個(gè)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的量子網(wǎng)絡(luò)。它的最大特點(diǎn)就是不必像經(jīng)典通信網(wǎng)中那樣通過在信息上加載目的地址編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路徑選擇，而是根據(jù)不同波長(zhǎng)來(lái)標(biāo)識(shí)不同用戶，利用波分復(fù)用器件的巧妙組合連接實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光量子信號(hào)沿不同

6、路徑傳輸并到達(dá)指定用戶，從而在避免對(duì)量子信號(hào)進(jìn)行測(cè)量干擾的前提下，完成自動(dòng)路徑選擇。與其它方案相比，本網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全連通、效率高的特點(diǎn)。 3.總結(jié)歸納了已有的各種關(guān)于量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單比較并分別按照器件特點(diǎn)和地域特點(diǎn)進(jìn)行分類。在此基礎(chǔ)上提出了評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)劣的一套可量化標(biāo)準(zhǔn)，以便于今后在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)有指標(biāo)可依。 4.提出了對(duì)未來(lái)建設(shè)完整量子保密通信系統(tǒng)的整體規(guī)劃，描繪了該規(guī)劃的架構(gòu)輪廓，