量子密钥分配网络的协议和机制

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1、摘要摘要量子密钥分配(QuantumKeyDistribution，QKD)能够在两个远程实体Alice、Bob之间绝对安全的共享密钥，这个过程依靠的是量子力学的物理定律而不是通常密钥分配所依赖的计算复杂度，从面让密码系统的安全性提高到了一个新的高度。迄今为止，QKD在理论上和实验上都取得了很大的进展，世界上众多研究小组研制的实际系统无论密钥传输速率、传输距离还是系统稳定性方露都有了大的突破，而少数公司也开始提供商业的点到点QKD设备。QKD网络是未来QKD向多用户、高速率、长距离发展的必然趋势。歪因为其重要性，近年来美欧日等国家都不约而同的加大了

2、对QKD网络的投入和研究，近年来也提出了不少的嬲络方案。然焉，QKD网络在理论架构上一蛊没有系统的研究，从而影响了其进一步的发展。本文首次系统的研究QKD网络的特点，其主要内容如下：1．将目前已经提出的各种QKD网络方案进行分类研究，首次按照实现的不同特点将英翡确的划分为信任中继掰络(TRN．QKD)、无源光器件网络(PON．QKD)和量子纠缠网络(QEN—QKD)，分别进行讨论。2．针对信任孛继霹络中信饪节点可能会被攻击两使得网络不可靠的情形，我们提出了节点安全概率模型，在此基础上采用多路径秘密共享以及随机路由的方案在很大概率上可以保证阚络在该请

3、形下的安全性，计算结栗也证明了该方案的明显效果；针对密钥生成速率与加密数据的速率可能不同步，建立了信任中继霹络摊队模型，采用预缓冲策略改善其延时性能；最后参考经典阏络编码的理论，我们也对信任中继网的多用户密钥共享情况下的网络编码进行了移植。3．归纳总结了采用各种无源光器件构成的网络，包括了分束器网络、光开关网络和波分复用网络、波长总线网络、波长路由网络等。关于这类网络已经有很多实验方案，但尚没有统一的评价标准和分析方法。本文第一次给出了对一般无源光器件网络具有普适性的网络评价指标体系的初级模型，提出包括网络容量、网络连通度、网络成本模型包括终端用户

4、成本和网络路由的成本等指标。以此对五种常见PON．QKD的性价比进行了横向比较。4．针对以一般纠缠态为基础的量子纠缠网络，我们着重考虑任意两个用户摘要之间由一般纠缠态转换到最大纠缠态的概率(SingletConversionProbability，SCP)，这个概率也代表了密镪建立鹃戒功概率。在荸个量子复发器(QuantumRepeater)的情况下，给出纠缠保留的最佳策略，并将其推广到l维量子纠缠链。对于2维量子纠缠网络，在两用户相隔距离不是太远的情嚣下，采焉多路径纠缠方案可以很好的提高最终SCP概率。而在距离比较远的情况下，我们应用经典渝渗理论

5、的概念，裁瘸量子渝渗过程，让SCP基本等于瀹渗概率豹平方，放而不受距离的影响。我们也提出了量子纠缠网络的渐进性渝渗和各向舜性渝渗概念。。5．分析了在经典光网络下，经典噪声给QBER带来的影响。在QKD与经典阏络的结合方藤，针对当前广泛使黑鹣Internet和虚拟专用瓣(VitualPrivateNetwork，VPN)技术，首次明确给出了QKD在PPP隧道技术和IPSec协议中的应雳展示。6．针对现实中对网络需求的多样性，提出QKD骨干网和接入网的分级制度来实现各种不同类型QKD圈络鲶融会戮更妊的符合现实需求。受到OSI参考模型的启发，首次提出了一

6、个通用的QKD网络层次模型，兼容了上述备种网络，弱时将下层的具体物理链潞、霹络方案秘上层鲍密锅提取协议、密铜管理等功能分开，以简化整个网络的设计。这个层次模型具有前瞻性和广泛性，为今后复杂酶QKD网络研究奠定了原理性酶基础。关键词：量子密码量子密钥分配量子网络网络安全n摘要AbstractQuantumkeydistribution投善①)，basedOilthelawsofquantumphysicsratherthanthemathematicalcomputationalcomplexity,Calldistributekeybetweent

7、wodi髓antentitiesAliceandBob,withtheunconditionalsecurity,whichbringssecurityofcryptographyintoahigherlevel．TherapidprogressintheoryandexperimentofQKOtechniqueshasbeenreflected姆anumberofsuccessfuldemonstrationsinthelastfewyears，includingboththehi}ghkeygenerationrateandlongtrans

8、missiondistance。ManygroupsallovertheworldhaveputforwardQKDset