连续变量量子密钥分发实际安全性研究

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1、分类号:TP391学校代码：10697密级:公开学号：201510194连续变量量子密钥分发实际安全性研究学科名称：无线电物理作者：刘维琪指导老师：彭进业教授西北大学学位评定委员会二〇一八年六月InvestigationofPracticalSecurityofContinuousVariableQuantumKeyDistributionAdissertationsubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforth

2、edegreeofDoctorofPhilosophyinCollegeofInformationSciencesandTechnologyByWeiqiLiuSupervisor:JinyePengProfessorJune2018西北大学学位论文知识产权声明书本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段

3、保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》或其它相关数据库。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日--------------------------------------------------------------西北大学学位论文独创性声明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也

4、不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：年月日摘要摘要随着量子物理和量子信息论的兴起，凭借量子信号的特有属性，人们提出了具有无条件安全性的量子保密通信，引起了社会各界人士的密切关注。它的出现改变了仅依赖数学与逻辑变换的传统模式的加密方式，开辟了基于物理机制的密码学的新思路和新方法。量子保密通信以量子密码为基础，而目前量子密码中最成熟且成果显著地是量子密钥分发(Quantumkeydistri

5、bution,QKD)技术。该技术可以基于连续变量量子态或者离散变量量子态来实现。理论上讲，QKD技术具有无条件安全性。然而，由于实际实验系统的器件等存在一些非完美性问题，QKD系统的无条件安全将会在一定程度上受到威胁。因此，为了使QKD系统更好的得以实际应用，研究其实际安全性有着至关重要的现实意义。本文聚焦连续变量量子密钥分发(Continuousvariablequantumkeydistribution,CVQKD)系统，对其实际安全性问题进行研究，力求提高实际环境中系统的性能和实际安全性。本文主要完

6、成了以下几个方面的工作内容：1.研究基于任意个体或集体攻击下CVQKD系统的实际安全监控方案。区别于之前聚焦在截取-重发和高斯攻击的实际安全性问题，实际问题Eve可以利用系统的任何不完美性且以任何攻击方式对系统进行攻击。本文首先分析实际环境中所有可以被攻击者利用的噪声，计算了攻击者成功掩盖自己攻击方式时所需本振光(Localoscillator,LO)扰动的限。该界限是保证攻击者成功掩盖她自己的攻击行为而不被合法方发现的条件，然后依据此下限，我们得到了实际CVQKD系统的最优监控条件。最后，作为例子，分别研

7、究了特定攻击下系统的实际安全性问题。2.研究了基于机器学习的CVQKD的参数评估与优化方案。通过对支持向量回归(Supportvectorregression,SVR)模型和CVQKD系统的结合，以期实现对系统性能和实际安全性的优化。首先，通过大量数据训练出信号物理参数的SVR预测模型；然后，模型的预测结果值被作为反馈来控制系统参数，以使系统达到最优的性能和实际安全性；最后，在高斯调制相干态（Gaussianmodulatedcoherentstate,GMCS）CVQKD系统中对该方案进行了验证。实验结果

8、证明此基于SVR的方案最终可以达到预期的优化效果且有着几个显著的优点。I西北大学博士学位论文3.为了提高CVQKD系统的性能和实际安全性，本文提出了一种基于连续随机选择测量基的CVQKD方案。首先我们对此方案进行了详细的介绍；然后计算了集体攻击下所提方案的密钥率，并对实际环境中系统的实际安全性进行了分析。研究结果表明，此方案明显提高了系统的性能，如安全通信距离。而且，我们的方案避免了测量基的比较和密钥率的丢弃，并