量子密钥分发实时处理技术研究

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1、中圈料誊艘求犬誊博士学位论量子密钥分发实时处理技术研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：崔珂物理电子学金革教授王坚副教授二。一四年五月二日又UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeResearchofReal-．time■I■■-●■PrOCeSSIngleCnnOlogVInQuantumKeyDistributionAuthor’SName"；pecialityspeclallW：：Supervisor：Finishedtime：KeCuiPhysicalelec

2、tronicsProf．GeJinAssoc．Prof．JianWangMay2彻，2014中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：雀兰要签字日期：丝比!：≥。中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许

3、论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。／g公开口保密(——年)作者签名：崔珥签字日期：：囟肚茎：公导师签签字日期：—m障导弓L∥岔V6摘要量子密钥分发系统是量子物理原理在密码学领域获得实用化应用最早的一个研究领域。它分发的密钥具有“绝对安全"的特性，这个特性来源于量子力学中的不可克隆原理和测量塌缩理论，具有很高的军事和民用价值。1991年诞生了世界上第一个QKD系统原型，它只是一个简单的演示系统，由Bennette等

4、人完成。随后出现更为复杂和完善的QKD系统，QKD的通讯距离和密钥生成速率都在不断的提高。QKD系统发展到现在，已经进入到了多用户互联的QKD网络时代，而QKD网络的结构也在不停的优化和升级当中。当今QKD网络的杰出代表有欧洲的SECOQC量子网，日本的东京高速量子网，和中国的全通型量子通话网以及“合肥一六安一舒城”的城域量子通信网络。QKD系统的发展已经进入了高速(高密钥生成速率)的阶段，应用最新的半导体工艺技术，采用1GHz以上发射频率的激光器，使用探测效率极高的超导探测器，获得成码率更高的QKD系统。QKD系统实时处理的压力在于QKD后处理过程，因为它是QKD系统

5、电子学处理延迟最大的模块。QKD后处理过程是为了消除Alice和Bob密钥的不同和提高安全性采取一系列操作，它包括四个步骤：基矢比对，身份认证，纠错和隐私放大。本文以满足高速QKD系统为目标，重点研究了QKD后处理过程中的实时技术。从实现实时技术的平台方面考虑，随着对QKD系统设备的小型化和便携性需求方面的提高，同时结合近些年发展迅速的FieldProgrammableGateArray(FPGA)技术，本文重点研究了基于FPGA的QKD实时处理技术。QKD系统实时处理技术在硬件内的实现具有特定的优势，可以省去QKD设备和电脑通讯的数据带宽压力，充分利用后处理过程中的并

6、行潜力提高处理速度。以QKD系统实时处理技术为主线，本文的研究内容包括：高效快速的纠错算法，高数据吞吐量的身份认证和高速数据交换的经典通道。对于纠错模块，我们设计和实现了两种不同的方案：基于Winnow的快速纠错算法和基于LDPC纠错码的快速纠错算法。其中基于Winnow的纠错算法在纠错效率和速度方面都有不错的表现，是我们目前中低速的QKD系统中成功应用的算法。而基于LDPC纠错码的纠错算法，纠错时候只需要交互一次信息，在传输延迟大的系统实现优势最大，另外它在纠错效率和速度方面都有可以大幅提升的潜力，是后续高速QKD系统中有望广泛采用的算法。基于Winnow的快速纠错算

7、法的采用的基本纠错码是Hamming码，从Winnow的基本思想出发，我们在段长选取，循环次数设置等方面进行优化，并且提出了使用双线性移位寄存器摘要(LFSR)的随机置换方案，可以获得和使用真随机数一样的“打乱"效果。基于LDPC纠错码的快速纠错算法采用QC．LDPC作为校验矩阵，应用半串行解码算法，该算法的算法结构简单，没有复杂的双曲函数运算和乘除运算，适合硬件结构实现，另外该算法相对于传统的BP解码算法可以节省大部分的存储资源。在算法结构方面，我们提出了一个新颖的信息钳位功能函数，实现简单，可以极大的提升纠错性能。对于身份认证模块，我