量子保密通信中随机性提取的实现技术研究及应用

作     者：罗钰杰 

作者单位：中国电子科技集团公司电子科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：徐兵杰

授予年度：2021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] 110505[军事学-密码学] 070201[理学-理论物理] 110503[军事学-军事通信学] 0702[理学-物理学] 

主      题：随机性提取 连续变量量子密钥分发系统 私密放大 量子随机数发生器 后处理 

摘      要：量子保密通信利用量子力学的物理特性来实现可证无条件安全的密钥产生与分发,是当前国内外研究热点,其代表技术主要包括量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)和量子随机数发生器(Quantum Random Number Generator,QRNG)。QKD可以为通信双方产生并分发一组具有信息论可证安全性的随机数序列作为加解密密钥,从而保证通信的安全性。QRNG基于观测量子态来产生真随机序列,具备信息论可证安全性且随机数产生速率极高。量子保密通信系统通常包括量子态制备、传输、探测以及数据处理等核心过程。其中,随机性提取是数据处理过程的关键,同时影响系统的安全性和效率。例如,连续变量量子密钥分发(Continuous Variable-Quantum Key Distribution,CV-QKD)系统中的私密放大(Privacy Amplification,PA)过程和QRNG的后处理过程均属于随机性提取操作,并且可以采用相同实现原理,一种高效的随机性提取实现方式是基于Toeplitz矩阵来实现。本文针对上述两种应用场景中的随机性提取需求,重点开展基于Toeplitz矩阵的随机性提取方案设计、关键技术攻关和系统实现,为项目组自主研制的高性能CV-QKD和QRNG系统提供关键技术支撑。具体研究成果简介如下:1.私密放大的效能是CV-QKD系统性能的决定性因素之一。为减少有限码长效应影响,保证系统的安全性,CV-QKD系统要求50 km光纤信道传输距离下私密放大的输入码长数量级至少为10,而有限的计算资源及存储空间将严重影响大输入码长下的实现性能。本文设计并实现了一种适用于超大码长的私密放大实现算法:基于分块FFT算法,有效解决了有限计算资源下大规模输入码长的私密放大的实现难题。同时为保证私密放大的高性能实现,本文结合应用需求及实现条件对分块FFT算法进行了优化设计,最终实现了不同输入码长下平均处理速度高达2G bps的私密放大,在相关领域处于国际先进水平(基于相同计算平台,公开已报道最快处理速度为1.35G bps)。本算法可支持私密放大的输入码长达2,可大幅降低CV-QKD系统有限码长效应的影响,有效支撑了本研究组高速稳定CV-QKD系统的研制。2.在QRNG系统中,量子信号的探测、数据采样等过程会引入经典噪声,需要经过后处理来去除初始随机序列中存在的偏置和冗余,得到真随机序列。相较于异或(XOR)/von Neumann等常用后处理方法,基于Toeplitz矩阵的后处理具有信息论可证安全性,但实现相对复杂,其实现速率是限制QRNG系统工作速率的瓶颈问题。针对高速QRNG的实际应用需求与实时后处理速率不匹配的问题,本文提出一种基于Toeplitz矩阵的多线程流处理加速算法,将一个规模较大的矩阵乘法细化为多线程数据处理,同时线程之间采用流水线的工作模式,使得在有限时间内达到了资源利用率的最大化。实验结果表明,本文实现了平均速度可达6G bps的后处理速率,有效提升了大规模Toeplitz矩阵下后处理的实现效率,保证了实时高速QRNG系统的稳定运行。同时,对生成的随机序列进行了ENT、NIST和Diehard三种随机性检测,结果表明均可顺利通过三种检测,随机性提取性能优异。