連續(xù)變量量子密碼安全性研究.pdf

1、生活在信息和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，量子密碼，不僅可以允許合法的通信方進(jìn)行安全通迅，還能夠?yàn)槲覀內(nèi)粘Ｉ钪兴幚淼膫€(gè)人信息、隱私及重要數(shù)據(jù)提供無(wú)條件安全保護(hù)。相比于傳統(tǒng)的經(jīng)典密碼，量子密碼的安全性是由量子力學(xué)法則所保證的，可以實(shí)現(xiàn)信息論安全。
　　然而，由于實(shí)際系統(tǒng)中存在一些非完美性等因素，量子密碼系統(tǒng)的安全性可能會(huì)受到一定程度上的損害。因此，在當(dāng)前的應(yīng)用中，研究實(shí)際系統(tǒng)的安全性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文正是聚焦連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)（CVQK

2、D）的現(xiàn)實(shí)安全性進(jìn)行研究，力圖增強(qiáng)實(shí)際系統(tǒng)的性能和可靠性。
　　首先，針對(duì)Bob端分束器的分束比依賴于波長(zhǎng)的缺陷，本文獨(dú)立提出了CVQKD波長(zhǎng)攻擊方案，攻擊差分探測(cè)協(xié)議系統(tǒng)。攻擊策略顯示，Eve發(fā)送給Bob的兩束光經(jīng)過(guò)平衡零拍探測(cè)器（BHD）后引入的散粒噪聲，是Bob的探測(cè)結(jié)果偏離Eve的竊取結(jié)果的主要原因，因此需要仔細(xì)考慮。在這種情況下，本文首先具體分析了波長(zhǎng)攻擊下必須滿足的方程的解，然后精確計(jì)算了BHD的散粒噪聲，從而得出結(jié)論

3、，在某些參數(shù)范圍內(nèi)波長(zhǎng)攻擊才能夠被成功實(shí)施。
　　進(jìn)一步，本文還分析了本底光隨時(shí)間波動(dòng)的CVQKD實(shí)際系統(tǒng)的安全性，該波動(dòng)為竊聽者竊取密鑰打開了后門。竊聽者通過(guò)降低本底光的強(qiáng)度可以模擬這種波動(dòng)，從而隱藏高斯集體攻擊留下的痕跡。數(shù)值模擬顯示，如果Bob不監(jiān)控本底光的強(qiáng)度，且不使用本底光強(qiáng)度的瞬時(shí)值對(duì)其探測(cè)結(jié)果進(jìn)行歸一化，則密鑰率將會(huì)被嚴(yán)重高估。
　　另外，本文同時(shí)還發(fā)現(xiàn)本底光的強(qiáng)度波動(dòng)不僅使Bob端探測(cè)結(jié)果的歸一化變得困難，還

4、可以改變非理想BHD的信噪比，從而可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p害CVQKD實(shí)際系統(tǒng)的安全性。但進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)本底光的強(qiáng)度也可以被合法的通信方操控，即被調(diào)節(jié)穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)定的常數(shù)值上，以消除本底光的波動(dòng)影響，從而避免Eve對(duì)本底光的可能攻擊。而且，針對(duì)噪聲信道，特別是城域QKD網(wǎng)絡(luò)信道，通過(guò)調(diào)節(jié)本底光的強(qiáng)度，改變實(shí)際BHD的信噪比使其達(dá)到最優(yōu)值，還可以提高實(shí)際系統(tǒng)的密鑰率。在這種情況下，BHD的高探測(cè)效率、低電噪聲的設(shè)計(jì)要求也可以被降低。為了實(shí)現(xiàn)這種操作，

5、本文給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，以此來(lái)增強(qiáng)實(shí)際CVQKD系統(tǒng)的安全性。
　　通過(guò)分析單向CVQKD實(shí)際系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)安全性，除了克服實(shí)際系統(tǒng)中具體的非完美性或安全性漏洞外，進(jìn)一步，本文還獨(dú)立提出了連續(xù)變量測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)（MDI）QKD方案，即使用高斯調(diào)制相干態(tài)源來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而可以一次性關(guān)閉所有的探測(cè)漏洞。該方案不僅可以將探測(cè)過(guò)程交給非可信的第三方，從而免疫所有的探測(cè)器側(cè)信道攻擊，相比于離散變量MDI-QKD協(xié)議，該方案還可以具有很高的密鑰率。因

6、此，非常適合高安全量子信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。
　　針對(duì)CV MDI-QKD，本文分別證明了其在單模攻擊和雙模攻擊下的安全性?；诟咚辜w攻擊的最優(yōu)性及糾纏的單配性（非共享性），結(jié)果顯示，雙模相干攻擊，即兩量子信道被潛在的竊聽者Eve反關(guān)聯(lián)，是次優(yōu)的，而單模攻擊，如每個(gè)信道上獨(dú)立的糾纏克隆攻擊，在漸近情況下是最優(yōu)的。在這種情況下，密鑰率的下界值可以被計(jì)算出來(lái)。而且，對(duì)于這樣的基于中繼的協(xié)議，由于中繼是非可信的，所有這種破壞中繼測(cè)量的多模攻

7、擊都應(yīng)該被約化成單模攻擊進(jìn)行安全性分析，從而簡(jiǎn)化分析過(guò)程。因此，向信道中注入糾纏或相關(guān)噪聲并不能為Eve進(jìn)行竊聽?zhēng)?lái)更多的優(yōu)勢(shì)。
　　最后，為了使CV MDI-QKD能夠應(yīng)用于安全通信，基于局域制備本底光的測(cè)量原理，本文提出了真正實(shí)現(xiàn)該協(xié)議的實(shí)驗(yàn)方案。該方案不僅解決了Alice、Bob和Charlie（Bell中繼）之間參考系的校準(zhǔn)和同步問(wèn)題，還極大地簡(jiǎn)化了發(fā)送方和接收方的光學(xué)布局，因此很容易進(jìn)行芯片級(jí)集成。另外，本文還探討了平衡