基于gpu的qkd后处理系统的设计与实现

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1、硕士学位论文基于GPU的QKD后处理系统的设计与实现DESIGNANDIMPLEMENTOFQKDPOST-PROCESSINGSYSTEMBASEDONGPU孟琳哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP242.6学校代码：10213国际图书分类号：621.586.4密级：公开工程硕士学位论文基于GPU的QKD后处理系统的设计与实现硕士研究生：孟琳导师：李琼副教授申请学位：工程硕士学科：计算机技术所在单位：计算机科学与技术学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classifi

2、edIndex：TP242.6U.D.C：621.586.4DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDIMPLEMENTOFQKDPOST-PROCESSINGSYSTEMBASEDONGPUCandidate：MengLinSupervisor：AssociateProfessorLiQiongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ComputerTechnology

3、Affiliation：SchoolofComputerScienceandTechnologyDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着量子计算的兴起，基于计算复杂度的现代密码学正面临严重威胁，这些加密方式在量子计算强大的并行计算能力面前不堪一击。唯一被证明绝对安全的一次加密算法又面临密钥的产生和分发问题，无法大规模应用，然而量子密钥分配，即QK

4、D(QuantumKeyDistribution)的出现使得一次加密算法有了用武之地。目前阶段大都采用FPGA(Field－ProgrammableGateArray)进行QKD后处理系统的实现，但是FPGA实现QKD后处理系统存在资源有限、时钟频率有限以及数据源速率的限制，各个数据处理模块内部算法会受到硬件的制约以及信道的扰动，处理速率无法满足实际需求。本文主要研究内容是使用GPU(GraphicsProcessingUnit)对量子密钥分配(QKD)后处理系统的算法过程进行加速。QKD后处理系统包

5、括五个模块，分别是筛选模块、误码估计模块、误码协商模块、保密增强模块以及信道认证模块。其中本文进行改进和加速的模块为误码协商模块和保密增强模块。误码协商模块负责纠正筛选码中的误码，输出一致的无误码，该过程可能复杂度较高，该过程的效率直接影响到整个QKD后处理系统的效率，因此，对该过程进行加速是非常有必要的。该加速过程分为三个阶段，首先本文中利用CPU对LDPC(LowDensityParityCheckCode)误码协商过程进行了实现，采用了BP(BeliefPropagation)算法，其次，对该算

6、法进行改进，改进之后其效率有明显的提高，最后，本文利用GPU对该过程进行实现，效率比在CPU上算法改进后的效率有更大的提升。在量子密钥分发过程中，经过误码协商之后，由于窃听者Eve也能从量子信道以及经典信道中得到信息，所以会不安全。保密增强能够将传输中的信息泄露消除，能够提高最终生成的密钥的安全性。本文中对该部分优化时主要用到了Toeplitz矩阵和快速傅里叶变换(FFT)，首先在CPU的基础上对该过程进行实现，然后利用FFT对该过程用到的算法进行改进，最后利用GPU对该过程进行加速，加速的效果非常的

7、明显。最后，本文将上述的两个模块在GPU上进行了联调，并且与在CPU和FPGA上的速率进行了比较，分析了加速的结果。结果表明GPU加速的效果还是比较明显的，并且LDPC误码协商是整个QKD后处理系统提速的瓶颈。关键词：QKD；GPU；误码协商；保密增强；CUDAI哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofquantumcomputing,moderncryptographybasedoncomputationalcomplexityisnowseriousl

8、ythreatenedbythestrongparallelcomputingabilityofquantumcomputation.Theonlyencryptionalgorithm,whichisprovedabsolutelysafe,can’tbewidelyusedbecauseitstillhassomeprobleminkeygenerationanddistribution.However,QKD,whichisshortforquan