量子通信具備理論上的無(wú)條件安全性,已經(jīng)被視為未來(lái)保障信息安全的有效方法。基于量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution,QKD)的量子保密通信是其中一種主要的應(yīng)用形式,它能夠使兩個(gè)合法的通信者在存在竊聽(tīng)的條件下安全地協(xié)商密鑰以保證通信的安全。但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中,實(shí)用化QKD系統(tǒng)容易遭受多種黑客攻擊,而測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)(Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution,MDI-QKD)協(xié)議不僅具備有效消除探測(cè)器端邊信道攻擊的能力,還可以結(jié)合誘騙態(tài)方案解決弱相干光源遭受光子數(shù)分割攻擊的問(wèn)題,因此MDI-QKD具有更高的安全性和實(shí)用性。然而,MDI-QKD協(xié)議的密鑰率還需進(jìn)一步提高,高維MDI-QKD方案是提高密鑰生成率的可行途徑之一,它可提高M(jìn)DI-QKD方案的通信效率,對(duì)于MDI-QKD實(shí)用化具有重要意義,也進(jìn)一步促進(jìn)了量子保密通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。本文主要研究高維MDI-QKD方案的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估。第一,簡(jiǎn)要敘述了量子通信的基本概念及其發(fā)展現(xiàn)狀,并對(duì)量子通信未來(lái)的發(fā)展作出了展望。第二,給出了量子通信相關(guān)的物理基礎(chǔ)知識(shí),分析和總結(jié)了量子力學(xué)的基本原理(量子態(tài)的疊加原理,單量子態(tài)不可克隆定理和海森堡不確定性原理)、量子比特及其邏輯運(yùn)算、BB84協(xié)議、B92協(xié)議,以及基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的EPR QKD協(xié)議。第三,給出了量子態(tài)融合與分割的基本原理和物理實(shí)現(xiàn)方案,根據(jù)量子態(tài)融合與分割的特性,設(shè)計(jì)出與之相匹配的四維光子態(tài)模轉(zhuǎn)換線路,通過(guò)連接量子態(tài)融合/分割模塊和對(duì)應(yīng)的模轉(zhuǎn)換線路,實(shí)現(xiàn)了在同一信道中單次傳輸兩個(gè)量子態(tài)。采用量子態(tài)融合與分割方案進(jìn)行信息的編碼和解碼,并基于單光子源和即插即用結(jié)構(gòu),提出了一種高維MDI-QKD協(xié)議,該協(xié)議可被證明是安全的。通過(guò)對(duì)其實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行仿真,并將其與同等條件下的低維MDI-QKD方案進(jìn)行比較,在不同的偏振失配條件下,該方案密鑰生成率增長(zhǎng)了2~10倍,安全通信距離也增加了6~60 km。這表明基于量子態(tài)融合與分割的MDI-QKD方案能夠有效提高量子保密通信的性能,對(duì)于MDI-QKD實(shí)用化以及構(gòu)建大規(guī)模量子保密通信網(wǎng)絡(luò)具有重要的參考價(jià)值。第四,研究了一種基于兩光子偏振和time-bin超糾纏的Bell態(tài)分析器,其具備完整識(shí)別16個(gè)超糾纏Bell態(tài)的能力,并設(shè)計(jì)了一種單光子態(tài)的偏振和time-bin雙自由度編碼方案,由此提出一種基于高維Bell態(tài)分析器的MDI-QKD協(xié)議。將高維Bell態(tài)分析器應(yīng)用于MDI-QKD系統(tǒng)的Bell態(tài)測(cè)量端,使得通信雙方能夠采用雙自由度編碼方案,增大了系統(tǒng)的編碼容量和信息傳輸量,同時(shí)也提高了Bell態(tài)的識(shí)別率,因而提高了系統(tǒng)的比特利用率。該協(xié)議也被證明是安全可靠的,同時(shí)其實(shí)現(xiàn)方案在現(xiàn)有條件下易于實(shí)施。該方案的提出旨在尋找改善MDI-QKD性能的新途徑,即采用多自由度編碼方案和提高系統(tǒng)的Bell態(tài)識(shí)別率,具有一定的可行性。第五,概括了全文已完成的工作,并對(duì)本文工作有待完善的方面作出了說(shuō)明。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN918.4;O413
【部分圖文】：

de 參數(shù)下兩種方案的密鑰率和安全通信距離的關(guān)系如圖3.12所示。由圖示結(jié)果分析可得，在不同的偏振失配de 參數(shù)下，相比于同等條件下的單光子源 MDI-QKD 方案，基于量子態(tài)融合與分割的 MDI-QKD 方案產(chǎn)生更高的密鑰率，并且能達(dá)到更長(zhǎng)的安全通信距離。當(dāng)de 為 0.011 時(shí)，高維 MDI-QKD 方案的密鑰生成率是單光子源 MDI-QKD 方案密鑰生成率的 2 倍，其安全通信距離也比原來(lái)增長(zhǎng)了 6 km；當(dāng)de 為 0.055 時(shí)，高維 MDI-QKD 方案的密鑰生成率是單光子源 MDI-QKD 方案密鑰生成率的 4 倍

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