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单光子量子密钥分发系统的理论模拟与分析

作　者: 郭爱鹏
导　师: 杨树
学　校: 北京邮电大学
专　业: 理论物理
关键词: 量子密码学量子密钥分配 BB84协议传输效率 Heisenberg的测不准原理量子不可克隆定理
分类号: TN918.91
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

通信技术的发展随着相关硬件及其理论的发展已经有了前所未有的进步。在通信过程中,人们关心信息在传输过程中的安全性和保密性。如何正确地连接通信双方(或多方),并使信息在他们之间能够准确、安全、秘密地传输成为通信技术的关键技术之一。本文在充分掌握了量子密钥研究现状的基础上,本文针对量子密码通信自由空间信道和光纤信道中的传输率和误码率展开了研究。量子通信实际上由两个阶段完成:第一阶段通过量子信道进行量子通信,进行密钥的通信:第二阶段在经典信道中进行,主要负责密钥的协商,探测窃听者是否存在,然后确定最后的密钥。量子密钥协议的无条件安全性能主要建立在量子不可克隆定理和Heisenberg的测不准原理两大理论基础上。在自由空间量子密钥分配中,单光子源采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲,量子密码术协议采用BB84协议。通过引入量子信道传输率、单光子捕获概率、测量因子和数据筛选因子,建立了量子误码率理论模型,给出了量子误码率的表达式。对于自由空间量子信道,引起量子误码率的主要因素是光学元件、探测器暗噪声和空间光学环境,并对这些因素进行了分析。针对低轨卫星-地面站间链路和地-地链路,进行了量子误码率的数值仿真研究。结果表明,在低轨卫星-地面站,地面站和地面站间进行量子密钥分配是可行的,限制自由空间量子密钥分配链路距离的主要因素是探测器暗噪声和空间光学环境。在光纤信道中,运用量子薛定谔方程,通过计算传输光场干涉强度,来分析光纤色散和损耗对量子密钥分发系统误码率的影响。在分析过程中,量子密码术协议采用BB84,引入量子信道传输率,测量因子等建立误码率模型,通过对量子密钥分发系统的误码率进行分析,表明在目前的基于光纤的密钥分发系统中,通过合理地选择光纤类型、工作波长和脉冲宽度等参数,可以降低系统的量子比特误码率,进而有效提高量子密钥分发系统的传输距离。

全文目录

中文摘要  4-5
Abstract  5-7
第一章绪论  7-11
  1.1 传统密码学简介  8-9
  1.2 量子密码术兴起  9
  1.3 国内外相关课题的研究现状分析  9-11
第二章量子密码通信理论基础  11-29
  2.1 单量子不可克隆定理  11-12
  2.2 三种主要的量子密钥分发方案简介  12-19
    2.2.1 BB84协议  12-17
    2.2.2 B92协议  17-18
    2.2.3 相关粒子协议  18-19
  2.3 量子密码通信系统和密钥分发  19-29
    2.3.1 量子密码系统的理论发展  19-20
    2.3.2 量子密钥分发的实验发展  20-26
    2.3.3 量子密码技术与网络相结合  26-29
第三章空间量子通信误码率和传输率分析  29-40
  3.1 空间量子通信方案  29-30
    3.1.1 地基(earth-based)方案  29-30
    3.1.2 空基(Space-Based)方案  30
  3.2 量子信道传输率，单光子捕获概率，测量因子和数据筛选因子  30-31
  3.3 量子误码率模型  31-34
    3.3.1 光学元件引起的量子误码率分析  32-33
    3.3.2 探测器暗噪声引起的量子误码率分析  33
    3.3.3 空间光学环境引起的量子误码率分析  33-34
  3.4 分析和讨论  34-40
    3.4.1 卫星-地面站链路  35-37
    3.4.2 地面-地面站链路  37-40
第四章光纤信道中的传输率和误码率分析  40-48
  4.1 理论模型和分析  41-43
  4.2 计算结果和讨论  43-47
    4.2.1 光纤色散和损耗分析  43-45
    4.2.2 误码率和密钥传输率分析  45-47
  4.3 结论  47-48
参考文献  48-51
致谢  51-52
研究生阶段发表的论文  52

单光子量子密钥分发系统的理论模拟与分析

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