连续变量量子密钥分发数据协调加速研究

论文摘要

量子信息技术是量子物理与信息科学交叉的新生学科,其主要分支量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）是量子力学与传统密码技术相结合的产物。它借助于量子力学的物理特性:量子不可克隆定理与海森堡不确定性原理,保证了合法通信双方传输密钥信息的隐密性与安全性。量子密钥分发技术两大主要分支,连续变量量子密钥分发（CVQKD）和离散变量量子密钥分发（DVQKD）近些年均发展迅速,其中相干态的连续变量量子密钥分发所需的设备为通用光纤设备,具有较强的实现性。因此,连续变量量子密钥分发具有很大的潜力。数据协调是连续变量量子密钥分发后处理过程中的重要环节,数据协调的加速过程是本文重点进行研究的内容。首先,对适用于量子密钥分发数据协调的LDPC码,使用逐条增加边的PEG（Progressive Edge-Growth）算法来生成H矩阵。这种方法最大的优点是能够生成确定度分布与确定码率的LDPC码,使用经过密度进化和差分进化寻找到的良好度分布生成的LDPC码具有良好的译码性能。实验采用多维数据协调方案,结果表明,在码率和码长相同的情况下,使用PEG方法生成的LDPC码相比Mackay方法生成的LDPC码拥有更好的译码性能,码字收敛信噪比更低,传输速率更高,传输距离更长。实验得出当码长为105,码率为0.5时,使用PEG方法生成的LDPC码的协调效率β达到93.4%,可以提取出5.41 kb/s的安全密钥,传输距离为44.5km。其次,在硬件加速上,使用OpenCL语言在CPU-GPU异构平台上加速译码过程,对LDPC码校验矩阵的存储方式进行OpenCL兼容优化,并且设计了在MLC/MSD协调方案下的CPU-GPU异构协调系统,介绍了SW译码算法GPU内核加速实现方式。通过实验对比CPU-GPU异构平台与CPU平台的译码速率,得出使用CPU-GPU异构平台的译码速率约为仅使用CPU平台的7.5倍。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1. 量子密码学
•   1.2. 量子密钥分发
•   1.3. CVQKD的发展历程
•     1.3.1. CVQKD国外发展历程
•     1.3.2. CVQKD国内发展历程
•   1.4. 数据协调发展过程
•   1.5. 论文内容安排
• 第二章 量子密钥分发系统
•   2.1. CVQKD基本理论
•   2.2. 量子密钥分发协议
•     2.2.1. DVQKD协议
•     2.2.2. CVQKD协议
•   2.3. 数据协调
•     2.3.1. 二分法纠错协调
•     2.3.2. 样条纠错协调
•     2.3.3. 基于边信息的信道纠错协调
•     2.3.4. 多电平编码/多级译码协调
•     2.3.5. 多维数据协调
•   2.4. 噪声分析与安全密钥量的估算
•   2.5. 本章小结
• 第三章 基于LDPC码的数据协调方案
•   3.1. LDPC码概述
•   3.2. LDPC码校验矩阵的构造方法
•     3.2.1. Gallager构造法
•     3.2.2. Mackay构造法
•     3.2.3. PEG构造法
•   3.3. LDPC码的译码算法
•   3.4. LDPC码的性能分析
•   3.5. 本章小结
• 第四章 基于Open CL与GPU的数据协调算法
•   4.1. Open CL概念基础
•     4.1.1. 平台模型
•     4.1.2. 执行模型
•     4.1.3. 内存模型
•     4.1.4. 编程模型
•   4.2. Open CL在GPU上的实现
•     4.2.1. CPU-GPU计算平台介绍
•     4.2.2. Open CL在GPU上的编程要点
•   4.3. 校验矩阵存储结构优化
•     4.3.1. 静态十字双向循环链表存储结构
•     4.3.2. Open CL兼容式存储结构
•   4.4. 基于异构计算的数据协调优化
•     4.4.1. 异构协调系统设计
•     4.4.2. SW译码算法的GPU内核实现
•   4.5. 实验结果及分析
•   4.6. 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1. 研究工作总结
•   5.2. 工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 个人简况及联系方式

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 薛哲

导师: 郭大波

关键词: 连续变量量子密钥分发,数据协调

来源: 山西大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 山西大学

分类号: TN918.4;O413

DOI: 10.27284/d.cnki.gsxiu.2019.000822

总页数: 62

文件大小: 4922K

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