量子密鑰分發(fā)實時處理技術研究.pdf

1、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)是量子物理原理在密碼學領域獲得實用化應用最早的一個研究領域。它分發(fā)的密鑰具有“絕對安全”的特性，這個特性來源于量子力學中的不可克隆原理和測量塌縮理論，具有很高的軍事和民用價值。1991年誕生了世界上第一個QKD系統(tǒng)原型，它只是一個簡單的演示系統(tǒng)，由Bennette等人完成。隨后出現(xiàn)更為復雜和完善的QKD系統(tǒng)，QKD的通訊距離和密鑰生成速率都在不斷的提高。QKD系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)進入到了多用戶互聯(lián)的QKD網(wǎng)絡時代，而QK

2、D網(wǎng)絡的結構也在不停的優(yōu)化和升級當中。當今QKD網(wǎng)絡的杰出代表有歐洲的SECOQC量子網(wǎng)，日本的東京高速量子網(wǎng)，和中國的全通型量子通話網(wǎng)以及“合肥—六安—舒城”的城域量子通信網(wǎng)絡。
　　QKD系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)進入了高速（高密鑰生成速率）的階段，應用最新的半導體工藝技術，采用1GHz以上發(fā)射頻率的激光器，使用探測效率極高的超導探測器，獲得成碼率更高的QKD系統(tǒng)。QKD系統(tǒng)實時處理的壓力在于QKD后處理過程，因為它是QKD系統(tǒng)電子學處理

3、延遲最大的模塊。QKD后處理過程是為了消除Alice和Bob密鑰的不同和提高安全性采取一系列操作，它包括四個步驟:基矢比對，身份認證，糾錯和隱私放大。本文以滿足高速Q(mào)KD系統(tǒng)為目標，重點研究了QKD后處理過程中的實時技術。從實現(xiàn)實時技術的平臺方面考慮，隨著對QKD系統(tǒng)設備的小型化和便攜性需求方面的提高，同時結合近些年發(fā)展迅速的Field Programmable Gate Array(FPGA)技術，本文重點研究了基于FPGA的QKD實

4、時處理技術。QKD系統(tǒng)實時處理技術在硬件內(nèi)的實現(xiàn)具有特定的優(yōu)勢，可以省去QKD設備和電腦通訊的數(shù)據(jù)帶寬壓力，充分利用后處理過程中的并行潛力提高處理速度。以QKD系統(tǒng)實時處理技術為主線，本文的研究內(nèi)容包括:高效快速的糾錯算法，高數(shù)據(jù)吞吐量的身份認證和高速數(shù)據(jù)交換的經(jīng)典通道。
　　對于糾錯模塊，我們設計和實現(xiàn)了兩種不同的方案:基于Winnow的快速糾錯算法和基于LDPC糾錯碼的快速糾錯算法。其中基于Winnow的糾錯算法在糾錯效率和速

5、度方面都有不錯的表現(xiàn)，是我們目前中低速的QKD系統(tǒng)中成功應用的算法。而基于LDPC糾錯碼的糾錯算法，糾錯時候只需要交互一次信息，在傳輸延遲大的系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)勢最大，另外它在糾錯效率和速度方面都有可以大幅提升的潛力，是后續(xù)高速Q(mào)KD系統(tǒng)中有望廣泛采用的算法?；赪innow的快速糾錯算法的采用的基本糾錯碼是Hamming碼，從Winnow的基本思想出發(fā)，我們在段長選取，循環(huán)次數(shù)設置等方面進行優(yōu)化，并且提出了使用雙線性移位寄存器(LFSR)的隨

6、機置換方案，可以獲得和使用真隨機數(shù)一樣的“打亂”效果?；贚DPC糾錯碼的快速糾錯算法采用QC-LDPC作為校驗矩陣，應用半串行解碼算法，該算法的算法結構簡單，沒有復雜的雙曲函數(shù)運算和乘除運算，適合硬件結構實現(xiàn)，另外該算法相對于傳統(tǒng)的BP解碼算法可以節(jié)省大部分的存儲資源。在算法結構方面，我們提出了一個新穎的信息鉗位功能函數(shù)，實現(xiàn)簡單，可以極大的提升糾錯性能。
　　對于身份認證模塊，我們實現(xiàn)了基于LFSR的Toeplitz矩陣的身份

7、認證方案。QKD系統(tǒng)的最核心特征是它的“絕對安全”性質(zhì)，基于LFSR的Toeplitz矩陣的身份認證具備“絕對安全”的特性。在模塊設計和實現(xiàn)方面，對算法結構做了優(yōu)化，提高并行度以實現(xiàn)速度的提升。該身份認證算法的實質(zhì)是高維度的矩陣乘法，分別從優(yōu)化矩陣乘法行方向和列方向的運算提出了一次并行化結構和二次并行化結構，實現(xiàn)了高度并行化的身份認證計算模塊。
　　對于高速數(shù)據(jù)交互的經(jīng)典通道，選擇USB3.0作為實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通道的接口總線。該數(shù)據(jù)

8、通道中需要傳輸?shù)腝KD系統(tǒng)的經(jīng)典信息包括:基矢比對信息，糾錯信息，身份認證碼。我們使用Cypress公司生產(chǎn)的FX3芯片作為USB3.0的協(xié)議芯片，應用該芯片提供的從FIFO工作模式。設計了相應的固件，在FPGA中設計了硬件接口模塊，在PC上設計了客戶端程序，實際測試速率達1.79Gbit/s。
　　文針對處于國際前沿的量子保密通訊中的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)后處理技術進行探索性研究，研究內(nèi)容包括高效快速的糾錯算法，高數(shù)據(jù)吞吐量的身份認證

9、和高速數(shù)據(jù)交換的經(jīng)典通道，其研究成果將直接提升QKD的后處理性能，并成功用于城域量子通信試驗示范網(wǎng)，并將在應用在后續(xù)的城際高速量子通訊網(wǎng)中。選題不僅具有理論研究價值，而且具有實際應用價值。
　　本論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　1.針對不同密鑰生成速率，完成了2種不同的實時糾錯方案。對于低速和中速密鑰生成速率，基于Winnow糾錯算法修改完成了一個適合于FPGA的快速并行設計，并成功應用于城域量子通信試驗示范網(wǎng);對于高速及超高速

10、密鑰生成速率，進行了基于LDPC糾錯碼的快速糾錯算法的研究，完成了基于QC-LDPC使用串行解碼算法的硬件解碼器，能適應于GHz發(fā)射頻率的QKD系統(tǒng)中。
　　2.針對QKD的安全性要求，開展了實時身份認證技術的研究，實現(xiàn)了適合于FPGA實現(xiàn)的基于LFSR的Toeplitz矩陣的身份認證方案，該方案具有“絕對安全”和高度并行化的特性，并成功應用于量子保密通訊試驗網(wǎng)。
　　3.針對高速量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，大量經(jīng)典數(shù)據(jù)實時交互的需