连续变量量子密钥分发的信息协商算法研究

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随着科技的蓬勃发展,信息安全逐渐引起了人们的高度关注,量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)基于未知量子态无法精确复制、量子态的叠加、纠缠等几个基本的量子力学特性弥补了传统密码学不能够实现无条件安全密钥分发的缺点,因此受到了许多学者的重视并加以研究。目前,一共有两种通过量子信道产生对称密钥的协议,分别是离散变量量子密钥分发(Discrete Variable Quantum Key Distribution,DVQKD)和连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum Key distribution,CV-QKD),其区别主要在于发送端信息的载体和接收端对量子态的检测方式各不相同。DV-QKD和CV-QKD协议都包含了以下四个过程:(1)通过私密量子信道进行量子传输,(2)根据测量基筛选被测量的量子态,(3)在假定为无噪声的公共信道进行协商,(4)通过哈希函数进行隐私放大。在CV-QKD中,信息协商的目的是纠正由于窃听方干扰和量子信道噪声导致的不对称的密钥,整个过程中所采用的纠错码的协商效率和误帧率(Frame Error Rate,FER)这两个参数决定了量子密钥分发系统的最终密钥率和最大传输距离。其中使用场景最为广泛的是多边型低密度奇偶校验(Multi-Edge Type Low-Density Parity-Check,MET-LDPC)码,通过设计校验矩阵和优化译码算法,采用MET-LDPC码的信息协商能够在极低信噪比下实现较高的协商效率和系统吞吐量。然而MET-LDPC码为了适应波动的量子信道,需要针对不同的信噪比范围设计出极其复杂的校验矩阵,同时性能会随着信噪比的细微变化而大幅削减。本文针对该问题,对CV-QKD的信息协商算法展开研究,改进了采用无固定码率的纠错码的信息协商算法,避免了MET-LDPC码的弊端,本文的主要工作如下:(1)低信噪比下无固定码率纠错码Raptor码的性能探究。Raptor码作为无固定码率码,通过不断发送编码信息直到译码方能够成功译码,保证了所有数据帧的误帧率一定为0,因此先对Raptor码在二进制输入加性高斯白噪声(Binary Input Additive White Gaussian Noise,BI-AWGN)信道中的编译码性能进行仿真分析。(2)优化基于无固定码率Raptor码的多维协商算法。详细介绍多维协商算法并将Raptor码应用于多维协商算法中,旨在解决固定码率纠错码MET-LDPC码因信噪比的细微变化而性能降低的缺陷,同时对线性分组码在多维协商条件下的初始化公式进行推导,使得译码初始化的对数似然比值最精确。该算法不仅真正实现了码率兼容,同时也能够在极低信噪比(<-15d B)下实现较高的协商效率(>95%)。(3)对多维协商中的虚拟信道进行理论分析。通过对比Raptor码在BI-AWGN信道和多维协商算法中的性能,发现在多维协商中Raptor码未能达到BI-AWGN信道中的性能,因此展开对多维协商中构建的虚拟信道的分析。发现两者的区别在于虚拟信道并不完全是BI-AWGN信道,存在随信噪比变化的衰落系数,同时其噪声满足以d为自由度的t分布。而BI-AWGN信道中的噪声满足高斯分布,因此进行分析,推导出噪声满足t分布的虚拟信道容量并与BI-AWGN信道进行对比。
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