极低信噪比下的连续变量量子密钥分发后处理算法研究

论文摘要

量子密钥分发能够提供无条件安全的密钥,其安全性是由量子物理的基本原理保证的。基于量子不可克隆定理、量子测不准原理,任何对量子密钥分发进行窃听的行为都会产生扰动,都能被合法通信双方检测出来,从而保证了量子密钥的无条件安全性。量子密钥分发技术可分为离散变量和连续变量两大类。基于单光子的离散变量类协议,在单光子态的制备、传输和检测方面,付出的成本较高。而基于高斯调制相干态的连续变量类协议可以利用经典相干光通信中的器件,大大降低了量子态制备与测量的难度和成本,吸引了广大学者的研究。近年来,连续变量类协议不仅在理论上取得了重大的突破,在实验上也获得了快速的发展。和单光子技术相比,当前的连续变量量子密钥分发技术的传输距离相对较短,密钥产生实时性较差。后处理对上述连续变量量子密钥分发系统中存在的问题具有重要的影响。本文针对上述问题,对后处理进行深入研究。主要工作如下:1.高协调效率后处理算法研究与实现。协调效率对系统传输距离具有重要的影响,本文提出两种高效的后处理数据协调算法。一种基于polar码的slice协商算法,研究了slice协商算法,包括连续变量的量化,各级互信息计算等,并基于polar码实现多级编译码算法,协调效率达到了92%以上。另一种基于多边类型低密度奇偶校验码(LDPC)的多维协商算法,首先研究了多维协商算法,然后利用LDPC码密度进化算法设计度数分布,并构造纠错性能接近香农极限的多边类型LDPC码校验矩阵,结合两者实现了极低信噪比下的高效纠错算法,协调效率达到了98.66%,支持超过200km的连续变量量子密钥分发系统。2.面向实际应用的后处理算法研究与实现。在实际通信环境中数据利用率较低,提出利用所有数据进行参数估计和密钥提取算法,提高了参数估计的精度和安全码率的准确度,结果表明,该算法有效提升了系统安全码率和传输距离。针对实际通信环境中量子信进波动的问题,提出了码率自适应算法,可以根据实际系统量子信道噪比灵活等效调整纠错码码率,以保证在一定信噪比范围内保持较高的协调效率。另外,考虑实际系统中有限码长效应,提出任意长度私钥放大算法,降低了实现复杂度,保证了实际系统在有限码长下的安全性。3.高速实时后处理算法研究与实现。简化多边类型LDPC迭代译码算法,改进校验矩阵存储结构,提出基于GPU的多码字并行译码算法,实现了30.39Mbps的译码速度。提出任意长度私钥放大的高速实现算法,利用快速傅里叶变换降低算法复杂度,基于GPU实现了 1.35Gbps的私钥放大速度。在后处理各个步骤获得高速实现后,基于多线程技术将各个步骤并行执行,实现了16.37M脉冲每秒的实时后处理,提高了密钥实时产生速率。4.综合考虑实际系统的特点,根据上述提高后处理效率与速率等的高性能算法,设计并开发了完整的后处理程序。程序中除实现算法功能外,还包括两端通信,程序总体控制,以及运行状态监控等。设计实现用户图形界面展示后处理并行工作流程及实验结果等。该后处理程序已应用于实际系统中,例如西安、广州和青岛等现场测试中均利用该程序实现了高速实时密钥产生,传输距离创造了新的商用光纤传输记录。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 量子密钥分发概述
•   1.2 连续变量量子密钥分发发展现状
•   1.3 论文主要工作与结构安排
•     1.3.1 主要工作
•     1.3.2 结构安排
•   参考文献
• 第二章 连续变量量子密钥分发后处理基础知识
•   2.1 信息论基础
•     2.1.1 香农熵
•     2.1.2 互信息
•   2.2 高性能纠错码
•     2.2.1 LDPC码
•     2.2.2 Polar码
•   2.3 连续变量量子密钥分发系统
•     2.3.1 系统介绍
•     2.3.2 后处理算法
•   2.4 本章小结
•   参考文献
• 第三章 高协调效率后处理算法
•   3.1 基于Polar码的高效slice协商
•     3.1.1 连续变量量化
•     3.1.2 多级编译码
•     3.1.3 性能仿真与分析
•   3.2 基于MET-LDPC码的高效多维协商
•     3.2.1 连续变量旋转
•     3.2.2 MET-LDPC码纠错
•     3.2.3 算法实现及性能分析
•   3.3 本章小结
•   参考文献
• 第四章 面向实际应用的后处理算法
•   4.1 高数据利用率后处理算法
•     4.1.1 全数据利用密钥提取
•     4.1.2 全数据利用参数估计
•     4.1.3 算法实现与性能分析
•   4.2 码率自适应数据协调算法
•     4.2.1 删余和缩短技术
•     4.2.2 码率自适应算法
•     4.2.3 算法性能与分析
•   4.3 长度自适应私钥放大算法
•     4.3.1 私钥放大基本原理
•     4.3.2 私钥放大的有限码长效应
•     4.3.3 任意长度私钥放大的实现
•   4.4 本章小结
•   参考文献
• 第五章 高速实时后处理算法
•   5.1 高速数据协调算法
•     5.1.1 纠错速度主要影响因素
•     5.1.2 高速纠错算法软件实现
•     5.1.3 纠错速度以及性能分析
•   5.2 高速私钥放大算法
•     5.2.1 基于FFT的加速算法
•     5.2.2 基于GPU的高速实现
•     5.2.3 算法速度与性能分析
•   5.3 基于多线程的实时后处理算法
•     5.3.1 线程任务分配
•     5.3.2 数据处理流程
•     5.3.3 实时处理速度
•   5.4 实时后处理在实际系统中的现场测试
•   5.5 本章小结
•   参考文献
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 攻读博士期间发表的学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王翔宇

导师: 喻松

关键词: 连续变量量子密钥分发,后处理算法,高效数据协调,面向实际应用的后处理,高速实时后处理

来源: 北京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 北京邮电大学

基金: 国家高技术研发计划,国家自然科学基金重点项目

分类号: TN918.4;O413

总页数: 130

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