基于Turbo码的量子高斯密钥分发的数据协调

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量子密钥分发(Quantum key distribution,简称QKD)是由量子力学和信息论相结合产生的一种保障通信安全的新学科。它是利用量子特性来得到或提高传输信息的保密性,其安全性不是基于计算的复杂性,而是植根于量子的基本特性,如海森堡测不准原理、量子的不可克隆定理等来保护信息,进而使传输消息的双方实现无条件的安全通信。目前,QKD的理论实验及在实践应用中的发展十分迅速,己成为量子保密通信领域中研究热点之一。其中包含以单光子作为信息载体的离散变量QKD和以相干态光场等作为载体的连续变量QKD。这两种模式中,公共授权信道上的数据协调都是实现最终安全通信不可或缺的重要环节。目前为止,大多数的研究者都在基于信道码LDPC码的基础上完成QKD的数据纠错过程。相比于LDPC码,Turbo码也是一种接近香农极限的高效信道码,不需要构建巨大的校验矩阵,大大节省了内存的占用率,且编码速率可通过Turbo码本身的删余器进行调节。鉴于Turbo码以上优点,本文提出了一种基于Turbo码的单光子和连续变量QKD的协调方案。以目前常用的BB84协议为基础,结合信道编码的纠错能力,最终通过Turbo码的迭代译码原理实现数据的逆向协调。本文主要研究工作如下:1)本文对在数据协调过程中用到的信道码Turbo码作了编译码方面的改进。在编码端提出一种采用线性卷积计算码字的方法,并将其产生的校验信息通过删余器进行压缩;在译码端,采用校验信息参与译码的方式恢复信息序列。2)本文提出基于Turbo码的离散变量(即单光子)和连续变量QKD的协调方案,并将其性能进行分析研究,给出这种方案的具体协调指标。该方案重点研究了针对连续变量的SEC (Sliced error correction)协议和多电平编码/多级译码的实现过程,以及针对连续变量软输入/软输出的级间迭代过程,最终使得通信双方得到完全一致的密钥信息。3)最后通过Matlab7.0平台的实验仿真以及协调效率的计算分析,验证了本文方法的有效性和可靠性,在量子信道信噪比高于7dB时可实现20000个连续变量的协调,协调效率达到78.5%。
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