國內(nèi)量子密鑰分發(fā)設(shè)備又迎新突破，九州量子將誤碼率降至2%
發(fā)布時間：2018-04-10
QKD（Quantum Key Distribution），即量子密鑰分發(fā)設(shè)備，是量子保密通信的核心產(chǎn)品。它基于量子物理學(xué)的基本原理，是理論上證明的無條件安全密鑰傳輸設(shè)備。
量子誤碼率，是QKD設(shè)備的一項重要產(chǎn)品指標，它指的是QKD產(chǎn)品由于系統(tǒng)性誤差、竊聽者干擾或信道干擾導(dǎo)致的量子比特錯誤率。
近日，浙江九州量子信息技術(shù)股份有限公司宋蕭天團隊自主研發(fā)的QKD設(shè)備，被第三方公司基于三種完全不同的環(huán)境進行檢測，檢測顯示，其QKD設(shè)備的平均量子誤碼率低至2%左右，最低僅為0.5%，且保持穩(wěn)定，達到了一個領(lǐng)先的數(shù)據(jù)水平。
主導(dǎo)此項產(chǎn)品研發(fā)的宋蕭天博士解釋道：“誤碼率越低，剔除的信息就越少，設(shè)備性能就越好?！彼问捥觳┦慨厴I(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系，工作經(jīng)驗豐富，一直從事量子光學(xué)、量子密鑰分發(fā)、量子隨機數(shù)發(fā)生器等技術(shù)領(lǐng)域的研究以及工程化的工作。
一、誤碼率體現(xiàn)了QKD設(shè)備的性能優(yōu)劣
QKD設(shè)備是量子通信的關(guān)鍵器件，沒有它進行量子密鑰的產(chǎn)生和分發(fā)，后續(xù)的加密工作都無法順利進行。量子通信應(yīng)用體系分成了三層架構(gòu)，在整個量子加密系統(tǒng)中，最底層為量子密鑰傳輸層，該層通過量子密鑰分發(fā)設(shè)備和光纖量子信道，在相鄰的QKD設(shè)備之間實現(xiàn)的安全的密鑰傳輸。中間層為密鑰管理層，由QKM（Quantum Key Manager）系統(tǒng)，即量子密鑰管理器，負責(zé)儲存和管理QKD中生成的量子密鑰。通過安全中繼等技術(shù)實現(xiàn)任意兩個或者多個節(jié)點之間的密鑰共享，并為上層提供安全的密鑰和認證服務(wù)。最上層是密鑰應(yīng)用層，由QSG，即量子安全網(wǎng)關(guān)，密鑰應(yīng)用層通過調(diào)用密鑰管理層提供的接口獲取量子密鑰，加密數(shù)據(jù)，保證業(yè)務(wù)的安全。
在QKD設(shè)備內(nèi)部，單光子探測器、激光器、量子隨機數(shù)發(fā)生器當屬最為重要的三大器件；而在說明QKD好壞的重要指標中，成碼率與誤碼率是關(guān)鍵指標。
成碼率是指QKD系統(tǒng)生成安全密鑰的速率，該速率一般跟通信距離有關(guān)。而誤碼率，顧名思義是指錯誤信息所占的比例。造成誤碼的情況在實際操作中大致分兩種，一是由于QKD系統(tǒng)本身每個模塊需要調(diào)制解調(diào)，調(diào)制之間會產(chǎn)生無法消除的設(shè)備誤差，這些誤差值就成了誤碼；二是如果信息傳輸過程被竊聽者竊聽或信道干擾，會導(dǎo)致量子比特出現(xiàn)錯誤，這些量子比特的錯誤在接受、探測之后便形成數(shù)字比特錯誤，導(dǎo)致誤碼。
誤碼率就越低，在最后數(shù)據(jù)處理時剔除的信息就少，相應(yīng)的，成碼率就越高。
宋蕭天博士表示，在理論研究時，是不存在系統(tǒng)誤差這一項的，于是，會把所有系統(tǒng)的不完美都歸類為竊聽者的所作所為。在密鑰后處理過程中，會通過對基、糾錯等操作來糾正中因器件不完善、信道和環(huán)境的影響以及竊聽等因素造成的錯誤比特，并通過保密放大技術(shù)將發(fā)射端與接收端的糾錯后密鑰進行壓縮得到安全密鑰，從而將竊聽者獲得的信息量減少至可以忽略的水平，這樣才得到了安全可靠的密鑰。
二、平均誤碼率2%，這個數(shù)據(jù)是如何達到的？
平均誤碼率為2%，最低僅為0.5%，這樣的數(shù)據(jù)是如何達到的？宋蕭天博士介紹，團隊從方案設(shè)計，到探測器性能、干涉環(huán)匹配程度、調(diào)制精度上都進行了深究。
在方案設(shè)計上，團隊采用相位編碼原理，也就是馬赫-曾德干涉儀，加上消偏器，用消偏的方式抵抗信道中的偏振變化，設(shè)計出獨有的方案。此方案主要設(shè)計者正是宋蕭天博士，設(shè)計方案也獲得了相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)。
在干涉環(huán)的匹配程度上，匹配程度越高誤碼率就越低，這是針對系統(tǒng)誤差的檢測改良，需考慮光強與光強比的契合程度；在探測器性能上，也就是單光子探測器，需運用雪崩光電二極管，但由于此二極管需要的技術(shù)較高，市場被國外企業(yè)壟斷，團隊主要從外部電路的設(shè)計上進行改觀，需要考慮暗計數(shù)、后脈沖、探測效率等指標（暗計數(shù)率低于；后脈沖率≤2%；探測效率是10%（±1%））；在調(diào)制精度上，采用自適應(yīng)的方法，做到高效精準的反饋機制。這些都是研發(fā)中需要面對并解決的問題。
宋蕭天博士介紹，誤碼率的突破只是九州量子QKD設(shè)備研發(fā)進程中的一個“小勝利”。宋蕭天現(xiàn)任九州量子的量子設(shè)備實驗室負責(zé)人、技術(shù)總監(jiān)，主要負責(zé)公司量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的研發(fā)工作，團隊成員40人，并根據(jù)QKD設(shè)備的不同模塊進行人員分工，分為算法組、基礎(chǔ)物理組、FPGA組、硬件組、軟件組等，并在這些方面逐一進行突破。
現(xiàn)階段，九州量子的發(fā)明專利申請達到48件，實用新型專利申請46件，外觀專利3件，其中13件實用新型專利授權(quán)。
文章來源于光明網(wǎng)
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