单光子量子密钥分发后处理系统的关键问题研究

Quantum Key Distribution (QKD) technique has drawn many attentions worldwide due to the wonderful features, such as unconditional security, detectable eavesdropping, etc. At present, the repeat frequency of quantum channel of single photon QKD has entered the GHz era, the limits on speed and efficiency of post processing of QKD has become the main obstacle to the practicability of high speed QKD system. In this proposal, an overall mathematical model of the QKD post processing system is constructed as an unity, in which the security is the main constraint condition and the net secure code rate is the global objective function. Guided by the model, the following problems are studied to realize the global optimization of the net secure code rate. The sifting algorithm whose interaction information amount is close to the Shannon limit is studied based on the fix-length source coding. The efficient LDPC error reconciliation algorithm with low resource consumption is studied. The low key consumption and unconditional secure authentication algorithm is studied based on the combination principle and universal hashing function family. The optimal authentication policy is also studied, which takes into account the characteristics of each post processing module. Our research can make significant contribution to construct a secure and efficient single photon QKD system, and improve the quantum communication technique.

量子密钥分发(QKD)技术因其无条件安全性和窃听可检测性等优点已受到世界各国的重视，具有巨大的应用前景。目前单光子QKD的光路重复频率高达GHz量级，后处理算法在速度和效率方面的局限性已成为桎梏高速QKD系统实用化的主要因素。本项目将后处理系统视为整体，将安全性作为主要约束条件，将净安全码率作为系统优化目标建立全面的QKD后处理系统数学模型。在该模型的指导下，为实现净安全码率的全局最优，分别基于定长信源编码对信息交互量接近香农限的筛选算法进行研究；对高执行速度、低资源消耗、协商效率接近香农限的LDPC误码协商算法进行研究；基于组合原理和通用哈希函数族对低密钥消耗的无条件安全认证算法、以及适应各后处理模块特点的密钥消耗总量最优的认证策略进行研究。本项目的研究对于构建安全高效的单光子QKD系统、进一步推动量子保密信技术的发展具有一定的理论意义和应用价值。

量子密钥分发(QKD)技术因其无条件安全性和窃听可检测性等优点已受到世界各国的重视，具有巨大的应用前景。目前单光子QKD的光路重复频率高达GHz 量级，后处理算法在速度和效率方面的局限性已成为桎梏高速QKD系统实用化的主要因素。本项目将后处理系统视为整体，将安全性、资源消耗、处理速率等作为约束条件，将净安全码率作为系统优化目标建立了全面的QKD 后处理系统数学模型。基于该模型分别对后处理系统的筛选、误码协商和认证算法进行了深入研究。筛选的信息交互量占整个后处理的90%，本项目针对筛选数据的特性提出了一种定长信源编码MZRL，并设计了基于MZRL的筛选算法，使得筛选的信息交互量压缩率接近香农限，大大地降低了系统所需的认证密钥消耗，从而提高系统的净安全码率。误码协商是QKD后处理的核心功能，本项目提出了一种高效LDPC误码协商算法，通过设计量化的译码算法提高处理速率、降低资源消耗，通过优化的RCBP校验节点处理、针对饱和的优化变量节点处理等优化方法提高协商效率，本算法的处理速率(CPU)可达可查文献最高水平(CPU)的9.7倍。为降低认证密钥消耗，本项目采用循环密钥结合OTP的认证方案，理论分析了在实际情况下该认证方案的篡改攻击概率下限和循环次数上限，可为实际QKD系统提供认证策略指导。本项目的研究对于构建安全高效的单光子QKD 系统、进一步推动量子保密通信技术的发展具有一定的理论意义和广泛应用价值。