量子密鑰分發(fā)實(shí)時(shí)處理技術(shù)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(xué)領(lǐng)域獲得實(shí)用化應(yīng)用最早的一個(gè)研究領(lǐng)域。它分發(fā)的密鑰具有“絕對(duì)安全”的特性，這個(gè)特性來(lái)源于量子力學(xué)中的不可克隆原理和測(cè)量塌縮理論，具有很高的軍事和民用價(jià)值。1991年誕生了世界上第一個(gè)QKD系統(tǒng)原型，它只是一個(gè)簡(jiǎn)單的演示系統(tǒng)，由Bennette等人完成。隨后出現(xiàn)更為復(fù)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(jìn)入到了多用戶(hù)互聯(lián)的QKD網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，而QK

2、D網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也在不停的優(yōu)化和升級(jí)當(dāng)中。當(dāng)今QKD網(wǎng)絡(luò)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(guó)的全通型量子通話(huà)網(wǎng)以及“合肥—六安—舒城”的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
　　QKD系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了高速（高密鑰生成速率）的階段，應(yīng)用最新的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，采用1GHz以上發(fā)射頻率的激光器，使用探測(cè)效率極高的超導(dǎo)探測(cè)器，獲得成碼率更高的QKD系統(tǒng)。QKD系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理的壓力在于QKD后處理過(guò)程，因?yàn)樗荙KD系統(tǒng)電子學(xué)處理

3、延遲最大的模塊。QKD后處理過(guò)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(gè)步驟:基矢比對(duì)，身份認(rèn)證，糾錯(cuò)和隱私放大。本文以滿(mǎn)足高速Q(mào)KD系統(tǒng)為目標(biāo)，重點(diǎn)研究了QKD后處理過(guò)程中的實(shí)時(shí)技術(shù)。從實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)技術(shù)的平臺(tái)方面考慮，隨著對(duì)QKD系統(tǒng)設(shè)備的小型化和便攜性需求方面的提高，同時(shí)結(jié)合近些年發(fā)展迅速的Field Programmable Gate Array(FPGA)技術(shù)，本文重點(diǎn)研究了基于FPGA的QKD實(shí)

4、時(shí)處理技術(shù)。QKD系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理技術(shù)在硬件內(nèi)的實(shí)現(xiàn)具有特定的優(yōu)勢(shì)，可以省去QKD設(shè)備和電腦通訊的數(shù)據(jù)帶寬壓力，充分利用后處理過(guò)程中的并行潛力提高處理速度。以QKD系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理技術(shù)為主線(xiàn)，本文的研究?jī)?nèi)容包括:高效快速的糾錯(cuò)算法，高數(shù)據(jù)吞吐量的身份認(rèn)證和高速數(shù)據(jù)交換的經(jīng)典通道。
　　對(duì)于糾錯(cuò)模塊，我們?cè)O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了兩種不同的方案:基于Winnow的快速糾錯(cuò)算法和基于LDPC糾錯(cuò)碼的快速糾錯(cuò)算法。其中基于Winnow的糾錯(cuò)算法在糾錯(cuò)效率和速

5、度方面都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，是我們目前中低速的QKD系統(tǒng)中成功應(yīng)用的算法。而基于LDPC糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)算法，糾錯(cuò)時(shí)候只需要交互一次信息，在傳輸延遲大的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)最大，另外它在糾錯(cuò)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(cuò)算法的采用的基本糾錯(cuò)碼是Hamming碼，從Winnow的基本思想出發(fā)，我們?cè)诙伍L(zhǎng)選取，循環(huán)次數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行優(yōu)化，并且提出了使用雙線(xiàn)性移位寄存器(LFSR)的隨

6、機(jī)置換方案，可以獲得和使用真隨機(jī)數(shù)一樣的“打亂”效果?；贚DPC糾錯(cuò)碼的快速糾錯(cuò)算法采用QC-LDPC作為校驗(yàn)矩陣，應(yīng)用半串行解碼算法，該算法的算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的雙曲函數(shù)運(yùn)算和乘除運(yùn)算，適合硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，另外該算法相對(duì)于傳統(tǒng)的BP解碼算法可以節(jié)省大部分的存儲(chǔ)資源。在算法結(jié)構(gòu)方面，我們提出了一個(gè)新穎的信息鉗位功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以極大的提升糾錯(cuò)性能。
　　對(duì)于身份認(rèn)證模塊，我們實(shí)現(xiàn)了基于LFSR的Toeplitz矩陣的身份

7、認(rèn)證方案。QKD系統(tǒng)的最核心特征是它的“絕對(duì)安全”性質(zhì)，基于LFSR的Toeplitz矩陣的身份認(rèn)證具備“絕對(duì)安全”的特性。在模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面，對(duì)算法結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化，提高并行度以實(shí)現(xiàn)速度的提升。該身份認(rèn)證算法的實(shí)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(yùn)算提出了一次并行化結(jié)構(gòu)和二次并行化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高度并行化的身份認(rèn)證計(jì)算模塊。
　　對(duì)于高速數(shù)據(jù)交互的經(jīng)典通道，選擇USB3.0作為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通道的接口總線(xiàn)。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(duì)信息，糾錯(cuò)信息，身份認(rèn)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(yīng)用該芯片提供的從FIFO工作模式。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的固件，在FPGA中設(shè)計(jì)了硬件接口模塊，在PC上設(shè)計(jì)了客戶(hù)端程序，實(shí)際測(cè)試速率達(dá)1.79Gbit/s。
　　文針對(duì)處于國(guó)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(shù)進(jìn)行探索性研究，研究?jī)?nèi)容包括高效快速的糾錯(cuò)算法，高數(shù)據(jù)吞吐量的身份認(rèn)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(yàn)示范網(wǎng)，并將在應(yīng)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?jī)r(jià)值，而且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.針對(duì)不同密鑰生成速率，完成了2種不同的實(shí)時(shí)糾錯(cuò)方案。對(duì)于低速和中速密鑰生成速率，基于Winnow糾錯(cuò)算法修改完成了一個(gè)適合于FPGA的快速并行設(shè)計(jì)，并成功應(yīng)用于城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng);對(duì)于高速及超高速

10、密鑰生成速率，進(jìn)行了基于LDPC糾錯(cuò)碼的快速糾錯(cuò)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(yīng)于GHz發(fā)射頻率的QKD系統(tǒng)中。
　　2.針對(duì)QKD的安全性要求，開(kāi)展了實(shí)時(shí)身份認(rèn)證技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了適合于FPGA實(shí)現(xiàn)的基于LFSR的Toeplitz矩陣的身份認(rèn)證方案，該方案具有“絕對(duì)安全”和高度并行化的特性，并成功應(yīng)用于量子保密通訊試驗(yàn)網(wǎng)。
　　3.針對(duì)高速量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，大量經(jīng)典數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互的需