量子密钥分发系统的现实无条件安全性

量子密钥分发系统由于能够提供一种物理上安全的密钥分发方式,因此成为量子信息领域的研究热点,其中如何在现实条件下保证量子密钥分发的无条件安全性是该领域的一个重要研究课题。本文从经典保密通信系统中具有完善保密性的一次一密体制出发,介绍了量子密钥分发系统的应用模型和整体保密通信系统的安全性基础,以及自量子密钥分发协议被提出以来量子密钥传输现实无条件安全性的研究进展,重点介绍了针对现实条件安全漏洞的各种类型的量子黑客攻击方案、防御方式,以及最近两年被广泛重视的与测量设备无关的量子密钥分发系统的理论和实验进展。     

量子密码系统中常用量子信号的产生方法

量子密钥分配是量子密码学最成功的应用.如何产生高效的量子信号,是量子密钥分配系统安全运行的关键.文中简要介绍了量子信号的概念,给出了几种产生量子信号的常用方法,并简要分析了这些信号应用于量子密钥分配的可行性.     

量子保密通信网络架构及移动化应用方案

作为新一次量子革命中率先实用化的代表性技术,量子密钥分发（quantum key distribution,QKD）为信息安全领域带来了有望实现长期安全性保障的可行方案,近年来从协议设计、技术研发、网络部署到实际应用都取得了长足的进步。首先探讨了将点对点QKD技术扩展到多用户量子保密通信网络的架构设计;进一步,结合经典密码学方案,提出将QKD生成的量子密钥在移动终端侧应用的增强解决方案,使得QKD技术可应用于更广泛的移动化场景。     

点到多点量子密钥分配扩展研究

对两种点到多点量子密钥分配系统的密钥生成效率和传输距离进行了分析,讨论了系统的参数选取对它们的影响.分析了诱惑态技术对这两种多用户系统的传输距离及密钥生成效率的影响,数据表明,结合诱惑态技术,可以将密钥传输距离扩展为原来的2倍,以及将量子密钥分发效率提高1个数量级.对点到多点系统进行了功能扩展研究,提出了可实现任意两用户间密钥共享的协议.该协议无需其它的硬件要求,易于实现.     

Quantum Key Distribution Based on Private States: Unconditional Security Over Untrusted Channels With Zero Quantum Capacity

In this paper, we prove unconditional security for a quantum key distribution (QKD) protocol based on distilling pbits (twisted ebits) from an arbitrary untrusted state that is claimed to contain distillable key. Our main result is that we can verify security using only public communication-via parameter estimation of the given untrusted state. The technique applies even to bound-entangled states, thus extending QKD to the regime where the available quantum channel has zero quantum capacity. We also show how to convert our purification-based QKD schemes to prepare/measure schemes.     

路径攻击对量子密钥分发网络安全性的影响

对基于微弱相干脉冲的量子密钥分发网络的安全性进行了分析.在该量子密钥分发网络中,由于光学节点的插入损耗及用户之间量子信道损耗的影响,窃听者可以实施路径攻击来获取量子信息.这种路径攻击不会改变脉冲中的光子数分布及系统的密钥生成速率,且这种窃听行为可以利用量子信道的损耗进行隐藏.数据分析显示,即使诱惑态技术也无法防范路径攻击对密钥分发网络安全的威胁,而且随着平均光子数的增加,这种威胁越强.因此,在对量子密钥分发网络系统参数进行选择时,必须考虑路径攻击的影响.     

量子密钥分发技术的机遇与挑战

量子密钥分发（QKD,quantum key distribution）具有理想的理论安全性,近十年来得到了快速发展.但是,理论上被证明完美的技术并不意味着一定能够实现完美的应用.一方面,越来越多的研究表明,旁路攻击将是QKD系统的一个主要威胁,而且针对实际QKD系统的旁路攻击才刚刚开始.另一方面,由于量子信号的传输不像经典电磁波那样具有很大的灵活性,致使QKD很难与传统通信网络进行无缝对接,也很难在广域网中得到广泛作用.另外,QKD也不能解决身份识别和数据存储安全等问题.因此,构建一个完善的QKD系统安全及其测评体系将是QKD得到实际应用的重要因素,而构建一个完善的抗量子计算的新型密码理论体系将是确保未来信息安全的关键.     

用国产光纤器件为量子密钥传送建立网络

量子密钥传产达可以从根本上解决密钥传送,分配过程中的安全问题,其安全发现上物理学的基本原理来保证。光纤信道是目前除了自由空间艰外唯一能够实用的量子信道。本文提出了一个用通用国产光纤通信器件建立量子密钥收发单元的实用方案,并用此收发单元建立了点对点的光纤量子信道和一对多的光纤量子密钥网络。实测此收发单元完全达到设计要求。     

开放型量子保密通信系统架构及共纤传输技术研究与实验

量子保密通信因其具有理论上的无条件安全性,在国防、金融、政务、商业等领域的应用潜力巨大,同时也对通信网络提出了一定的要求。在研究量子保密通信的基础上,提出了开放型量子保密通信的系统架构;同时为了更好地与现有通信系统融合,提出了一种量子密钥分发（QKD）系统与大容量光通信系统共纤传输方案,并通过实验验证了QKD系统和80×100 Gbit/s DWDM系统共纤传输的可行性,在超过100 km共纤（G.654超低损光纤）传输条件下同时实现了QKD成码率超1 kbit/s和8 Tbit/s DWDM系统无误码传输。     

Overview of quantum key distribution metropolitan optical networking technology

Quantum key distribution is a basic implementation technology of quantum communication,which provides a secure key distribution method.With the maturity and development of point-to-point quantum key distribution technology,multi-point to multi-point quantum key distribution networking has become a trend of development in the future.How to construct a multi-point to multi-point quantum key distribution network is currently urgent problem.The architecture of QKD-MON was proposed,the key problems and corresponding strategies in QKD-MON were discussed,the applications of QKD-MON in various scenes were studied,and finally the future development direction and challenges were discussed.The QKD network architecture proposed can efficiently implement QKD between multiple points and provide key resources for the customer flexibly.     

基于FPGA的高速脉冲调制

量子密钥分发是一种能够提供物理上安全的密钥分发方式,如今以成为信息安全领域中热门研究学科,但是由于在量子密钥分发中其成码速度的限制影响了它实际应用性。提高LD驱动脉冲调制速度,可以有效地提高信号发射速度,从而加快量子密钥分发的成码速率。采用循环驱动的方法,可以在时钟频率200MHz的条件下,在FPGA中实现200MHz的脉冲调制速度。实验结果显示,采用该方案产生触发脉冲驱动LD,输出量子信号的抖动小于2ns,满足了量子密钥分发的要求。     

Standardization of Quantum Key Distribution in ETSI

This article describes in the first part the background of this new key distribution technology for cryptographic keys, called QKD (quantum key distribution) and compares it to classic key distribution principles and its basic functioning. In the second part it introduces the need for QKD and the link to standardization, with its approach by the ISG (industry specification group) QKD in ETSI (European Telecommunication Standards Institute). Finally the article gives an outlook on the future next steps.     

基于非对称QKD的股票交易数据库隐私查询协议

证券交易所的股票交易数据库中包含大量敏感信息,用户查询该数据库时保障账户及数据库的隐私十分重要.分析了非对称量子密钥分配(QKD)及其优良特性,提出了一种基于非对称QKD的不经意集合元素映射判定协议.该协议在查询数据库时保证了用户和数据库的隐私.安全性分析结果表明,该协议能有效抵抗量子存储攻击、伪造量子态攻击和纠缠测量攻击,具有很高的信道损耗容忍度.     

自由空间量子密钥分发控制系统的FPGA设计

在量子保密通信蓬勃发展的今天,基于自由空间的量子密钥分发是一个重要的研究方向。它将在未来全球量子通信网络中扮演重要的角色。介绍了自由空间量子密钥分发控制系统中的电子学设计,选用Xilinx公司的VirtexII-Pro系列芯片,使用内部的PowerPC405嵌入式硬核加上功能逻辑模块实现最终量子密钥的提取和外围电路的控制,提高了全系统的集成度和可靠性。该设计成功应用于白天1公里量子密钥分发实验,成码率大于1.5Kbps。     

基于态关联性不完美的诱骗态量子密钥分配

 本文提出了态关联性不完美条件下诱骗态量子密钥分配(QKD)的安全性理论分析模型.借助于QKD的保密放大分析方法,采用实际QKD系统广泛使用的诱骗态编码方案,使相位误码的估计更加准确,进而给出了态关联性不完美条件下诱骗态QKD的最终安全密钥生成率的表达式,刻画了密钥生成率与态关联性不完美、探测器性能和密钥传输距离之间的关系.数值模拟表明,诱骗态QKD的最终安全密钥生成率对态关联性不完美的容忍程度,随着密钥传输距离的增大而逐渐减小,随着探测器探测性能的提升而逐渐增大,因而验证了所给表达式的正确性.     

Reliability improvement of satellite-based quantum key distribution systems using retransmission scheme

This paper theoretically studies the design and performance analysis of the reliable satellite-based quantum key distribution (QKD) over free-space optics channel. The proposed QKD system is based on the optical quadrature phase-shift keying (QPSK) modulation and the dual-threshold/heterodyne detection (DT/HD) receiver that helps to reduce quantum bit error rate (QBER) and improve the receiver sensitivity. In addition, a key retransmission scheme is also designed to enhance the reliability of the proposed QKD system. Performance of the key transmission is analyzed in terms of QBER and the probability of sifted key, taking into account the impacts of free-space path loss, atmospheric attenuation, beam spreading loss, atmospheric turbulence, and receiver noise. In addition, we newly develop an analytical framework by using the 3-D Markov chain model that allows us to investigate the key loss rate (KLR) performance at the link layer. Numerical results quantitatively show that our proposed satellite-based QKD system can offer significant performance improvement over the conventional ones.

     

诱骗态量子密钥分发系统中的隐蔽欺骗方法

在应用环境可信的情况下,诱骗态量子密钥分发系统具有明确的安全性架构.但是,在不可信的应用环境中,通信一方可以利用诱骗态量子密钥分发系统为第三方隐蔽地窃听开启方便之门.这种不暴露自己的泄密行为是一种隐蔽欺骗.诱骗态量子密钥分发系统具有一定的冗余系统参数（比如接收端设备对光信号的波长和强度的细微变化不敏感,但是系统安全性与这些参数密切相关）,不可信终端通过改变不同信号光脉冲的波长或强度,将为窃听者成功进行基于波分复用或分束攻击的隐蔽窃听提供可能性.这种隐蔽欺骗将直接破坏通信终端之间的信任关系,进而导致通信过程保密性的不可信,这给量子通信系统终端的可信性和安全性提出了一定的挑战.     

基于FPGA的SER/DES在量子密码通讯中的应用

在远距离量子密钥分发(QKD)系统中,使用基于场可编程门阵列(FPGA,field programmable gatearray)的串行器/解串器(SER/DES,serializer/deserializer)技术完成了500 Mbit/s的量子传输速率,利用低频(2 MHz)的同步信号完成对发射方和接收方的同步。根据QKD实验的需要,完成了信号甄别、伪随机数产生器、时间同步和数据编码等功能,成功搭建了基于诱骗态的远距离QKD系统。     

相位编码量子密钥分发系统的电子学设计

相位编码是目前基于光纤传输的量子密钥分发(QKD)系统采用最多的方式,对控制电子学的设计提出了诸多挑战.本文在介绍相位编码QKD系统控制电子学整体设计基础上,重点分析相位编码QKD系统在同步机制、自动相位扫描补偿等方面的特殊要求和设计实现.本文设计的控制电子学和必要光学器件组成的QKD系统可以作为量子密钥分发网络中独立...     

量子密钥分配及其无条件的安全证据

量子密码学因密钥分配而众所周知,然而早先提出的量子密钥分配的安全证据包含许多技术困难。该文提出了一个概念更为简明的量子密钥分配的安全证据。此外,研究中还发现,在隐形传输下,因为改变了非平凡误差的模型序列,所以隐形传输信道的误差率与正被传输的信号无关。为此,将这一事实与最近提出的量子到经典的约简定理相结合。在讨论中,假定通信双方Alice和Bob有容错的量子计算机,结果表明:在任意长的距离上,即使面临各种窃听攻击及各种噪声存在的情况下,量子密钥分配依然具有无条件的安全特征。