量子通信的前沿、理论与实践

量子通信是量子信息科学的重要分支,其中最重要的两个应用是量子密钥分发和量子隐形传态。量子密钥分发可为通信双方提供无条件安全的密钥分发方式,其理论安全性由量子力学规律保证。量子密钥分发因其无条件安全的特点受到广泛关注。本文通过对量子密钥分发的广泛调研,系统地介绍了量子密钥分发的主要内容、理论安全性证明现状和实际安全性证明现状,着重介绍了诱骗态方法和测量装置无关的量子密钥分发方案;同时针对量子密钥分发在信道衰减严重时面临的问题做了系统调研,介绍了目前学术界对该问题的主流解决方法,即量子中继或卫星中继;最后指出量子密钥分发已经由理论模型发展到实际系统,为后续开展量子密钥分发相关研究提供了有益参考。     

一种基于多维矩阵的无线传感器网络密钥预分配算法研究

密钥分配是无线传感器网络通信安全的基础.在低成本、低功耗、资源受限的传感器节点上现在可行的密钥分配方案是基于对称密码体制的密钥预分配模型,随机预分配模型的优点是分配方法简便,缺点是节点问不能保证安全连通,连通概率与节点密钥存储量、抗俘获能力成反比,确定预分配模型的优点是任意节点间可建立直接安全通信,缺点是密钥协商的通信和计算开销较大.在多项式与LU矩阵分解的确定密钥预分配方案的基础上、挺出了一种基于多维矩阵的改进方案.分析研究表明对比传统方案,在保证安全连通的基础上,降低了存储量和通信计算的开销,提高了节点抗俘获能力与动态扩展能力.     

量子计算研究现状与未来发展

量子计算乃至更为广泛的量子信息,是基于量子力学原理发展出来的概念与技术体系,涉及信息的本质及其处理。量子计算利用量子叠加、量子纠缠等资源进行信息编码和处理,已被证明在若干问题上具有相对于经典计算的极大优势,在实用化后将对信息及相关科技产生深远影响。本文概要回顾了量子计算的发展历史,如量子计算思想与概念的形成、重要理论及算法的发展以及应用情况;梳理总结了代表性的量子计算技术路线及其发展态势,如超导量子计算、分布式超导量子计算、光量子计算、囚禁离子量子计算、硅基量子计算及若干其他体系。着眼不同技术路线面临的共性问题,对我国量子计算领域未来发展提出建议：注重战略规划和布局,培养高水平研究团队,加强基础研究、核心技术、关键设备的自主研发。     

基于生物信息的模糊密钥绑定算法研究

人体生物信息的唯一性、长期稳定性等特点,使得人们希望能够将其作为密码系统中的密钥使用,解决密钥与使用者对应唯一性、密钥分配和存储的安全性等难题.但是由于生物信息在每次检测过程中存在的模糊性,使其无法作为密码系统中的密钥直接使用.本文提出了一种模糊密钥绑定算法,解决了基于生物信息的模糊密钥绑定难题,确保了密钥的安全性.该算法适用于当前任何密码系统,有广泛的应用前景.     

网络即时通讯中的密钥管理

网络即时通讯在为人们日常交流带来便利的同时,也伴随着信息泄露、个人隐私被窃等烦扰。如何保证敏感信息在网络上安全的传输成为一个重要的研究课题。基于网络通信的软件都需要采用加密手段来最大限度上对用户的敏感信息进行保护,其中密钥的管理将影响整个系统的性能和安全性。模拟SSL协议原理,提出使用公钥密码进行私密钥的分配,并通过密钥分配中心(KDC)对公钥密码进行认证的解决方案。     

基于超混沌的三层量子图像加密算法研究

具有高效运算能力的量子计算机的提出使得基于经典计算机的图像加密算法安全性大大降低,如何将图像转移到量子计算机表示并进行加密传输是一个难点。针对这一问题,设计了基于NEQR模型的3层量子图像加密算法。首先,利用希尔伯特(Hilbert)矩阵实现量子块级置乱;然后,利用超Lorenz混沌系统生成的随机序列,打乱量子像素中的位顺序,实现位级置乱;最后,利用量子随机图像对原始量子图像进行CNOT操作并进行位本身CNOT操作,实现位级扩散,得到最后的加密图像。实验结果表明,加密图像的相关系数较低,加密算法的密钥空间大,加密图像的像素改变率、归一化平均变化强度和熵值接近理论值,具有良好的安全性和可行性。     

基于伪随机数的量子密钥分发方案

该文基于量子力学特性,研究了一种基于伪随机数生成的量子密钥分发方案。该方案在保证"种子"的真随机性和保密性的同时,大大提升了随机数的生成效率。经典的密钥分发使用公共信道会导致"种子"的保密性不足,存在密钥易被监听窃取的风险。而量子密钥分发在理论上能达到"信息论安全",但密钥存在生成效率低,密钥生成成本高的问题。基于此,该文提出一种基于伪随机数的量子密钥分发方案。该方案兼顾了量子密钥分发的安全性和伪随机数的高效性,提高了密钥分发的效率,降低了秘钥生成的成本,具有较高的工程价值。     

量子网络系统研究进展与关键技术分析

量子信息领域的迅速发展为现代信息技术带来了新的机遇与挑战，其中的热门研究方向之一即量子网络，旨在利用量子力学的基本特性实现长距离的（安全）通信任务，或通过分布式计算提供优于经典计算网络的计算能力，相关研究对推动量子信息的实用化具有重要意义。本文根据量子网络应用场景和技术手段的差异性，从量子密码网络、量子云计算网络、量子隐形传态网络3个细分类别出发，全面梳理了国内外的研究进展及发展挑战，以便掌握量子网络系统的最新发展态势；结合量子网络的实施情况，阐述了量子网络系统发展中亟待攻克的链路建立、信息传输、网络协议、物理硬件等关键技术。综合来看，量子网络仍处于初级发展阶段，当前需积极应对挑战并把握机遇，以增强我国前沿领域的科技硬实力。研究建议，加强基础硬件设施研发投入、重视量子网络理论研究、加强交叉学科研究和相关人才培养，以促进我国量子网络系统的发展。     

背景光对星地量子密钥分配量子误码率的影响

量子误码率是量子密钥分配系统的重要参数之一.对于星地量子密钥分配,采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲作为单光子源,建立了由背景光引起的量子误码率理论模型,给出了量子误码率的表达式.针对轨道高度为300km的低轨卫星-地面站间链路,进行了数值仿真分析.研究表明,背景光是限制自由空间量子密钥分配链路距离的主要因素之一,在低轨卫星-地面站间进行量子密钥分配是可行的.在白天,量子误码率的量级为10-3～10-2;在夜晚,满月时为10-4,新月时为10-6～10-5.     

基于标记配对相干态光源的诱惑态方案及仿真分析

提出基于标记配对相干态光源(HPCS)的诱惑态方案,采用GLLP公式估算HPCS结合诱惑态方案的QKD性能。仿真结果表明:HPCS与诱惑态相结合方案的密钥产生率、密钥最大安全传输距离,非常接近量子密钥分配所能达到的理想极限值。     

无线传感网络安全通信的密钥预分配协议探讨

无线传感网络安全通信已逐步得到网络构架人员和研究人员的重视,密钥分配协议对于无线传感器网络的安全传输起着基础性作用。由于传感器网络大规模、节点资源非常受限、分布式等特点,传统的基于公钥和可信任的密钥分配中心等方式已不再实用,当前主要的传感器密钥分配协议都可认为属于预分配密钥管理协议。文中主要论述了目前比较典型的几类密钥预分配协议,并在该类协议基础上提出更高性能的多项式密钥预分配协议。     

一种具有用户匿名性和前向安全性的WTLS握手协议的安全性分析及其改进

对为实现用户匿名性和前向安全性的安全目标而提出的两种改进的WTLS握手协议——基于EC_DH密钥交换的握手协议和基于RSA密钥交换的握手协议进行了分析和研究,研究结果表明,基于RSA密钥交换的WTLS握手协议不能提供所预期的前向安全性。本文对该协议进行了改进,改进后的握手协议可以提供前向安全性。最后,对改进后的握手协议进行了简要的安全性与性能分析。     

基于双M-Z干涉仪随机稳定量子密钥分发

基于非等臂双M-Z光纤干涉仪的量子密钥分发系统,这种量子密钥分发系统容易受到外界环境的干扰导致相位漂移,而干涉的稳定性直接关系到密钥分发的误码率.利用跟踪相位随机漂移和实时统计方式实现稳定量子密钥分发,成功进行了75Km的量子密钥分发实验.跟踪相位随机变化实现稳定密钥分发具有系统结构简单,容易操作,同时密钥分发时间上具有一定的随机性,因此减小了窃听者获得信息的概率.     

基于混合密码体制和电子签章的电能结算系统的研究与实现

本文设计并实现了基于混合密码体制和电子签章的电能结算系统。该系统采用混合密码体制、密钥交换协议和电子签章技术来确保远程电能数据的安全性：结合ActiveX插件技术,实现电子签章对Office系统的无缝嵌入：同时通过杀毒软件、防火墙和物理网关等安全措施来加强对结算中心主站的数据安全性。该系统有效解决了传统电能结算系统工作量大、效率低和传送不及时的问题。     

量子计算和量子信息理论研究取得进展

<正>量子计算和量子信息处理是人们利用物质的量子行为而设计的量子信息处理技术。量子算法显示现今金融系统和互联网所普遍采用的公钥保密算法并不是安全的,它可以被量子计算机容易的破解。同时量子信息技术也提供了建立在量子力学基本原理基础上的量子密码协约。     

自由空间量子密钥分发中的信号同步解决方案

针对目前自由空间量子密钥分发（QKD）中的信号同步这一难点问题,提出一种采用外置光信号来解决信号同步问题的方案——光同步方案。在发送端利用声光调制器将外置激光器的连续激光分割成周期光脉冲序列,并作为同步光信号发送给接收端。接收端采用光电倍增管接收同步光脉冲信号,生成一个与发送端严格同步的信号,以此作为接收端的时基标准来进行单光子计数。采用高频的内部时钟信号来“监视”接收到的同步信号,从而提高计数准确性。该方案具有长距离性、无线性、低复杂度等特点,已成功应用于一个基于B92协议的自由空间QKD系统中。     

量子神经计算和量子遗传算法的理论分析和应用

经过比较研究发现,在量子计算与神经网络和遗传算法之间,不论在计算思想上还是模型表达上,都存在着许多相似之处,这些相似性启发人们去研究基于量子理论的神经网络和遗传算法模型,一方面探索神经网络和遗传算法在量子系统上的实现方法,另一方面研究量子理论启发下的新的神经网络与遗传算法模型。本文总结了本课题组近年来在量子计算与神经网络和遗传算法相结合领域的研究工作,包括量子系统实现神经计算的理论分析,量子神经网络物理模型的研究,基于量子概率表达的量子遗传算法及其应用研究等,并对今后的发展提出了展望。     

量子计算与量子计算机

量子计算的强大运算能力使得量子计算机具有广阔的应用前景。该文简要介绍了量子计算的发展现状和基本原理,列举了典型的量子算法,阐明了量子计算机的优越性,最后预测了量子计算及量子计算机的应用方向。     

基于Ⅳ-Ⅵ族化合物的胶体量子点太阳电池研究进展

基于Ⅳ-Ⅵ族化合物的胶体量子点具有易于合成、带隙可调等优点,被认为是一种非常有前途的窄带隙光伏材料。近年来,利用Ⅳ-Ⅵ族化合物制作的胶体量子点太阳电池最高转换效率已经突破10%。介绍了胶体量子点的合成方法、基本结构及其光电特性;着重分析了国内外关于肖特基和异质结胶体量子点太阳电池的研究现状,指出了目前该领域研究中存在的问题和发展趋势,并分析了未来需要重点解决的关键问题。     

量子计算或可应用于磁成像领域

美国匹兹堡大学的研究人员基于量子测量和纳米技术的界面工作实现了由钻石晶体包裹的单个电子组成的纳米级磁成像的重要进展。研究人员表示,被认为是计算任务“动力室”的量子计算或许也可应用于高精度测量等纯电子工业以外的其他领域。