基于量子密钥分发协议的身份验证方案设计

基于量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)协议的身份验证方案是一种强大而安全的身份验证方法。该方案利用量子力学原理,包括量子比特的创建、传输和测量,确保密钥协商的安全性,能为身份验证提供双重保障。量子密钥的传输是不可非法窃取的,任何对密钥的窃取或干扰都会被立即检测到。通信双方可以安全共享量子密钥,实现双方之间的身份验证和安全通信。该方案具有高度的安全性,在保护个人身份和信息安全方面具有广阔的应用前景,并为未来的安全通信提供了重要的基础。

基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发

在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐,无需借助软件算法实现数据的对齐.本文采用了加拿大滑铁卢大学Norbert Lütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法.该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩,以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率.计算过程中无需假设信道为线性信道,无需额外噪声的估算.密钥分发系统重复频率为10 MHz,传输距离为25 km,平均安全密钥比特率为24 kbit/s.本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步,减小了系统的复杂度和计算量,在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积,有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.

连续变量量子密钥分发系统中动态偏振控制研究

连续变量量子密钥分发系统中,本地光场和信号光场采用时分复用,偏振复用方式通过长距离单模光纤传输.外界复杂环境会使单模光纤产生双折射效应,导致本地光场和信号光场的偏振态漂移,严重影响接收端平衡零拍探测结果.因此,高效动态偏振控制单元是推动系统外场实用化进程的关键技术.本文理论上证明了系统接收端仅考虑任意偏振消光比输出时,偏振控制单元只需两个控制自由度即可.在此基础上将贝叶斯参数估计方法有效融入混沌-猴群算法,同时在现场可编程逻辑门阵列硬件上实现控制算法,结合积分型光场探测器建立动态偏振控制单元,仿真和实验结果表明单次偏振控制静态消光比达到30 dB以上的平均周期为400μs.为了应对偏振态连续变化情况,将动态偏振控制单元集成到连续变量量子密钥分发系统,实验测试了偏振态扰动速率在0—2 krad/s范围内系统仍然能够正常运转.

基于干涉模块增强共驱混沌同步密钥分发系统的安全性

基于共同信号驱动两相同激光器可以实现密钥分发,但驱动信号和响应激光器的输出信号存在的强相关会降低密钥分发的安全性。提出一种增强共驱混沌同步密钥分发系统安全性的方案。通过引入硬件变换模块,降低驱动与响应信号之间的相关性,进而保障密钥分发的安全性。选择马赫-曾德尔干涉仪(MZI)作为变换模块,利用MZI的延迟干涉效应实现对激光器输出信号的变换,并对MZI输出的时序波形进行双阈值量化,实现了100 km的光纤传输,速率为0.23 Gbit/s的密钥分发。实验结果证明:在基于混沌同步的密钥分发方案中,引入的硬件变换模块可以有效防止非法用户直接量化驱动信号窃取密钥,避免信息的泄露,实现合法用户的安全密钥分发。

连续变量量子密钥分发技术研究进展

量子密钥分发作为新一代通信技术,能够实现理论上无条件安全的通信过程。基于连续变量的量子密钥分发具有理论安全码率更高、探测成本低、更易与现有光通信兼容等优势而受到广泛关注。该文对连续变量量子密钥分发的基本原理进行介绍,对高斯调制相干态协议和最新实验进展进行概括总结,并对连续变量量子密钥分发的未来发展进行展望。

基于复合混沌序列的身份认证密钥分发建模

为了提升密钥信息分发速率,解决身份认证错误的问题,提出基于复合混沌序列的身份认证密钥分发建模方法。根据复合混沌序列表达式,确定补偿系数指标的取值范围。根据Walsh协议文本完成基于复合混沌序列的身份认证。通过求解密钥生成率、分发距离与信息消耗速率,以此实现身份认证文本密钥的分发与建模处理。实验结果表明,遵循复合混沌序列表达式所建立的密钥分发模型可以将身份认证有效性提升至93%,能够大幅度提升密钥信息分发速率,解决了身份认证错误的问题。

四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议

量子密钥分发(QKD)具有信息论上的无条件安全性,而相位匹配量子密钥分发(PM-QKD)是双场量子密钥分发协议(TF-QKD)的一个变体,其最近被提出用来克服没有量子中继器的点对点协议中存在的速率-距离限制。鉴于实践中不存在无限强度的诱骗态,提出了一种具有实用价值的四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议,即四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议。给出了该协议的安全密钥速率公式,并通过数值仿真分析了该协议的性能,证明了该协议的有效性。

基于身份的群组密钥分发方案

随着人们越来越倾向于使用即时通讯软件进行交流,保障群聊中消息的安全性成为一个亟需解决的问题.因此,基于国密SM9算法提出了一种基于身份的群组密钥分发方案,并进行了严格的安全性证明;提出的方案相较于Guo等人、Meng等人提出的方案在便捷性和兼容性上更具优势,同时,相较于Wu等人在欧密会上提出的非对称群组密钥协商协议也有群组密钥管理和兼容性方面的优势.此外,还给出了所提方案在即时通讯群聊及点对点通信场景下的应用示范,进一步证明了所提方案在通信开销和密钥管理方面要优于目前典型即时聊天软件中的安全群聊实现方法.

基于扩展量子密钥分发的车联网增强身份认证方案

为实现车联网场景下的身份认证和密钥分发,提出一种基于扩展量子密钥分发的车联网增强身份认证方案。该方案的特征为:(1)在无线通信中通过量子安全模块和预置量子密钥完成量子密钥移动分发,在有线通信中通过量子密钥分发设备完成量子密钥的在线协商,实现了扩展的量子密钥分发;(2)基于后量子密码学的加密和签名算法进行基础身份认证,并通过预置的量子密钥实现增强认证。最后,通过安全性分析和性能测试,证实了本方案具有足够的安全性和较低的计算开销,总计算开销为1.689 ms,性能提升为60.43%~70.72%。

基于高维纠缠态的量子密钥分发协议

为了提高量子密钥分发的效率和安全性,利用高维Hilbert空间中的Bell态和Hadamard门设计了一种量子密钥分发协议。首先通过量子态的动态演变验证了三维Bell纠缠态在Z基和X基下具有不同的表示特性,然后以此为基础进行协议设计,其中利用Z基测量来检测窃听,利用X基测量来产生密钥。安全性分析表明,该协议可以抵抗截获重发、纠缠附加粒子和特洛伊木马三种常见的攻击。最后将协议与其他方案进行了比较,该协议在保证量子比特效率50%的基础上,安全性也有所提升。

量子密钥分发网络架构、进展及应用

近年来,随着网络通信攻击手段的层出不穷,只依赖传统计算困难程度的密钥分发的安全性受到了严重威胁。量子密钥分发技术由于其无条件安全性的优势,与光网络结合,在信息的保密性和传递效率方面具有突出的表现。利用量子密钥分发技术组建的量子密钥分发网络也在全球范围内得到逐步应用并且不断发展。重点总结了量子密钥分发各项协议及量子密钥分发网络的发展历程,以量子密钥分发网络所面临的生存性和连通性,以及中继节点的布置问题为切入点,分析了量子密钥分发网络目前存在的不足及现有的各种解决方案。最后,从实际的角度出发,分析和总结了量子密钥分发网络的应用现状,通过量子密钥分发在线与离线相结合的方式,使量子密钥分发网络的可推广性变得更强,同时,边缘网关到物联网终端设备的量子密钥分发也大大促进了量子密钥分发网络与现有物联网设备的结合应用。

基于细粒度极化的隐蔽密钥分发方案

针对现有密钥分发协议在水声信道环境下的信息泄露问题,提出了一种基于细粒度极化的隐蔽密钥分发(Covert Secret-key distribution based on Fine-grained Polarization,CSFP)方案.首先,采用一致最大功效检验方法建立敌手模型,并给出隐蔽密钥分发方案的形式化定义.考虑到水声信道的非对称性和衰落效应,根据注水原理推导出信息传输速率达到香农极限时最优码字符号分布对应的带宽以及信道容量,并利用莱布尼兹积分法则和黎曼积分的保号性推导出信道容量与信道增益的函数关系,通过计算水声信道增益对极化子信道的容量进行排序实现极化码的码字构造,确保信息传输速率达到香农极限.其次,对信息比特索引集合进行细粒度极化,采用链式结构将多个消息块依次链接实现信息比特索引序列的对齐,设计出多轮通信下隐蔽密钥分发的编码和解码算法,利用合法发送方和接收方共享的随机种子对首轮传输的消息块进行初始化,并从当前生成的密钥中提取出随机种子对后续消息块进行随机化,确保密钥分发过程的隐蔽性.最后,通过信息理论证明了CSFP方案的可靠性、随机性、保密性和隐蔽性,利用最大熵原理推导出水声信道环境下隐蔽性约束的可达性条件和隐蔽密钥生成速率.仿真结果表明,与现有方案相比,CSFP方案的隐蔽密钥生成速率平均提高了18.78%,隐蔽概率平均提高了38.29%.此外,CSFP方案生成的密钥成功通过了SP 800-22测试平台的随机性检测.

基于回归决策树的测量设备无关型量子密钥分发参数优化

量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)结合一次一密的加密方式,可以实现无条件安全的量子通信.双场(twin-field,TF)QKD和测量设备无关(measurement-device-independent,MDI)QKD具有较高的安全性,同时适合构建以测量端为中心的网络,具有广阔的应用前景.但在实际应用过程中,参数配置对QKD性能有着极大影响,而实际场景中存在着用户数量大、位置距离中心站点非对称、并且用户大部分处在实时移动中的特点.面对上述实时的参数配置需求,传统的参数优化方式将无法满足.本文提出将监督机器学习算法应用于QKD参数优化配置中,通过机器学习模型预测不同场景下TF和MDI两种常用协议的最优参数.将神经网络、最近邻、随机森林、梯度提升决策树和分类回归决策树(classification and regression tree,CART)等监督学习模型进行对比,结果显示CART模型在R^(2)等回归评估指标上均有最优表现.在随机划分训练组、验证组情况下,预测参数的密钥率与最优密钥率比值的均值在0.995以上;在“超精度”和“超范围”两种极限情况下,该均值仍能维持在0.988左右,且在残差分析中具有较好的环境鲁棒性,展现出较好的性能.此外,基于CART的新方案相较于传统方案在计算实时性表现上有很大提升,将单次预测时间缩短至微秒量级,很好地满足了通信方在移动状态下的实时通信需求.

基于四态协议的半量子密钥分发诱骗态模型的有限码长分析

半量子密钥分发允许一个全量子用户Alice和一个经典用户Bob共享一对由物理原理保障的安全密钥.在半量子密钥分发被提出的同时其鲁棒性获得了证明,随后半量子密钥分发系统的无条件安全性被理论验证.2021年基于镜像协议的半量子密钥分发系统的可行性被实验验证.然而,可行性实验系统仍旧采用强衰减的激光脉冲,已有文献证明,半量子密钥分发系统在受到光子数分裂攻击时仍旧面临密钥比特泄露的风险,因此,在密钥分发过程中引入诱骗态并且进行有限码长分析,可以进一步合理评估密钥分发的实际安全性.本文基于四态协议的半量子密钥分发系统,针对仅在发送端Alice处加入单诱骗态的模型,利用Hoeffding不等式进行了有限码长情况的安全密钥长度分析,进而求得安全密钥率公式,其数值模拟结果表明,当选择样本量大小为105时,能够在近距离情况下获得10-4bit/s安全密钥速率,与渐近情况下的安全密钥率相近,这对半量子密钥分发系统的实际应用具有非常重要的意义.

相位匹配量子密钥分发协议统计波动分析

相位匹配协议是双场量子密钥分发协议的一种,能突破密钥容量限制且安全性得到了理论和实践的证明。针对实际应用中数据有限长效应产生的不良影响,系统地分析了相位匹配协议统计波动性能;利用高斯分析和切诺夫−霍夫丁界等统计波动分析方法,结合线性规划对相关参数进行估计,分别对不同数据长度情况下三诱骗态及二诱骗态相位匹配协议的性能进行了仿真分析。仿真结果表明:考虑统计波动的相位匹配协议仍能突破线性密钥容量的限制,在数据长度达到10^(16)量级时,密钥生成率和最大安全传输距离均接近理想值;在数据长度小于等于10^(13)时,增加诱骗态并不能显著提升相位匹配协议性能;随着数据长度的增加,采用切诺夫−霍夫丁界系统性能逐渐趋近采用高斯分析法的系统性能。

非对称信道相位匹配量子密钥分发

经典相位匹配量子密钥分发要求信道对称,而实际应用中非对称信道应用场景更加普遍.为研究信道非对称性对相位匹配协议性能的影响,基于经典相位匹配协议框架提出非对称相位匹配协议,建立相关数学仿真模型,并对信道非对称情况下诱骗态和统计波动等对系统的影响进行仿真分析.结果表明:信道非对称性对系统性能影响巨大,随着信道衰减差异的增大系统性能减小,且减小速度逐渐加快,超过4 dB时已无法生成密钥;诱骗态方案不能改变系统对信道衰减差异的容忍度,但在信道衰减差异较大时,增加诱骗态可以显著提升系统性能;随着数据长度的增大,系统对信道衰减差异的容忍度逐渐提升,当数据长度大于10^(12)时,这种提升不再明显,与对称信道相比,当信道衰减差异为2 dB时,随着数据长度的增大,系统性能提升更加明显.

车载自组织网络下基于区块链与量子密钥的组密钥分发方案

为提高车载自组织网络(VANET)的通信效率和安全性,提出了一种基于区块链与量子密钥的匿名身份认证与组密钥分发方案。利用车端随机数与云端随机数共同生成车辆匿名凭证,实现路端对车辆身份认证过程中的隐私保护;使用区块链进行组密钥的安全下发,降低量子密服平台的计算开销,实现车辆身份的撤销与追溯;提出了两段式组密钥生成方式,保证不同场景下组密钥分发的安全性与高效率,同时实现了前向安全与后向安全。信令开销与计算开销分析结果表明,该方案信令开销减少近50%,组密钥分发过程中车端计算开销减少44%,路端计算开销约为对比方案的20%。形式化安全分析结果证明了该方案的安全性和可行性。

基于光源检测的相位匹配量子密钥分发协议

量子密钥分发(QKD)在信道中容易丢失信息载体,因此有限的通信距离和密钥生成速率是其应用的主要瓶颈。一般而言,密钥速率受信道传输速率的限制,而相位匹配量子密钥分发(PM-QKD)协议的提出克服了线性密钥速率的约束,即安全密钥速率与传输速率的平方根成正比。虽然PM-QKD协议可以保证探测器的安全性,但光源方面仍存在一些缺陷。在PM-QKD协议中,一般假设光源为理想相干态,而这与实际的QKD系统不完全相符,从而造成一些安全问题。本研究讨论了光子数分布未知条件下的PM-QKD协议,证明了光子数分布未知条件下的安全性分析仍然是合理的,也表明基于光源检测的PM-QKD协议产生的密钥率与理想光源下的密钥率基本一致。

具有少量参与者的分层量子密钥分发协议

分层量子密钥分发在量子通信中有重要作用,除了使用EPR与GHZ态可实现分层量子密钥分发,非对称高维多粒子纠缠也为解决分层量子密钥分发提供了一种新思路,这种方法在量子信道使用次数上比传统的使用二部链路的量子密钥分发更有效.介绍了3用户在同构意义下的5种分层密钥结构,并给出4、5用户的可分区分层密钥结构.然后对于所介绍的各类分层密钥结构,通过将上述两种方法进行对比,得到实现各类密钥结构理想化密钥率最高的方案.当量子网络用户大于3且密钥结构可分区时,证明仅使用EPR与GHZ态就可实现各层理想化密钥率是1,并以4、5用户的可分区分层密钥结构为例展开说明.

实用化量子密钥分发光网络中的资源优化配置

在大规模量子通信网络应用研究中,人们一般通过构建虚拟业务网络并将其映射到实际物理空间来实现资源的分配.在该映射过程中,为简化模型常常做一些假设,比如假定物理拓扑中的密钥资源为某一固定值,即忽略实际物理条件以及不同协议对密钥供给带来的性能差异.这种忽略实际物理条件的假设可能导致该网络在实际应用中无法正常运行.为解决以上问题,本文从链路映射的角度出发,以量子密钥分发光网络为底层网络,提出了改进的虚拟业务映射模型和虚拟业务映射算法,使其更加接近于实际应用场景.一方面通过增加地理位置的约束,对虚拟节点到可映射的物理节点范围做合理限制;另一方面,从硬件成本和实际密钥生成速率角度出发,提出了性价比的评估指标对资源进行分配管理.此外,我们通过结合3种主流的量子密钥分发协议(BB84、测量设备无关、双场),构建了普适的虚拟业务在量子密钥分发光网络中的映射模型,实现了最优协议的推荐和资源的优化配置管理.