基于MDI-QKD协议的量子网络方案研究

作     者：高中玲 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵生妹

授予年度：2019年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 07[理学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 110505[军事学-密码学] 110503[军事学-军事通信学] 0702[理学-物理学] 

主      题：测量设备无关量子密钥分发 量子网络 量子隐形传态 即插即用 

摘      要：量子力学的基本原理保证了量子通信的无条件安全,量子密钥分发(QKD)是量子通信的重要组成部分。测量设备无关的量子密钥分发(MDI-QKD)协议在保证经典QKD协议理论无条件安全的同时,有效地解决探测器端的安全漏洞,且MDI-QKD协议的特殊结构可将合法用户间的安全通信距离延长至两倍。随着QKD技术的愈发成熟,两用户间的安全通信已经可以保证,但适用于多用户安全通信的量子网络仍在研究中。为了提高QKD中的合法用户数,本文提出基于即插即用MDI-QKD的量子网络方案以及基于量子隐形传态的长距离MDI-QKD量子网络方案。论文主要研究内容如下:(1)论文给出了一种基于量子隐形传态的长距离MDI-QKD协议。该协议将量子隐形传态与MDI-QKD协议相结合,Alice先将制备的量子态通过隐形传态的方式传送给相距较远的中间用户David,David与Bob一起将制备的量子态传送至第三方进行贝尔态测量。论文给出了该协议的密钥产生率的公式推导及数值仿真。仿真结果表明:基于量子隐形传态的MDI-QKD协议的密钥产生率与安全传输距离之间的关系较原始的MDI-QKD协议有了很大的提升,同时基于量子隐形传态的MDI-QKD适合搭建量子安全网络。(2)在此基础上,论文将该协议与量子网络结合,提出一种基于量子隐形传态的长距离MDI-QKD量子网络方案,在该方案中,网络中的任意两个合法用户间都可以根据不同的路由方案建立通信链路,从而完成多用户间的安全通信。论文对基于量子隐形传态的长距离MDI-QKD量子网络方案进行详细描述后,并对该网络的运行过程进行了理论分分析,较原始的密钥分发协议相比,该量子网络方案提高了合法通信的用户数。(3)为了进一步提升MDI-QKD协议运行过程中合法通信用户数,结合经典网络中的星型拓扑结构,论文提出一种基于即插即用MDI-QKD的量子网络方案。论文对该网络方案进行了描述,并对其运行过程给出了理论分析,较原始MDI-QKD协议相比,该网络方案在提高合法通信用户数的同时提升了星型拓扑网络的安全性。除此之外,为了提高该网络的实用性,结合电网数据传输的业务特点,提出一种基于即插即用(P&P)MDI-QKD协议的国际业务数据传输方案,并对该方案的运行过程进行了详细描述和理论分析。