《基于低密度奇偶校验码的相干态连续变量量子密钥分配数据调和的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于低密度奇偶校验码的相干态连续变量量子密钥分配数据调和的研究（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 分类号 O431学号 09020019UDC 密级公 开 理学硕士学位论文 基于低密度奇偶校验码的相干态连续变量量子密钥分配数据调和研究硕士生姓名 马祥春 学科专业 物理学 研究方向 量子信息与量子计算 指导教师 田成林 副教授 邹宏新 副教授国防科学技术大学研究生院 二?一一年十月Study of Reconciliation for CVQKD Using Coherent States Based on LDPC CodesCandidate:Ma Xiangchun Advisor:Tian ChenglinZou HongxinA thesis Submitted in parti
2、al fulfillment of the requirements for the degree of Master of Natural Science in Quantum Information and Quantum ComputationGraduate School of National University of Defense Technology Changsha,Hunan,/.na (October,2011) 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 目 录 摘 要i ABSTRACT.ii 第一章 引言1 1.1 量子密钥分配概述1 1.1.1 密钥的安全性.1 1.
3、1.2 QKD协议2 1.2 连续变量量子密钥分配的发展.3 1.2.1 高斯协议.4 1.2.2 离散调制协议.5 1.3 本文的主要内容和结构.6 第二章 相干态连续变量量子密钥分配7 2.1 相干态 CVQKD的基本原理与实验方案.7 2.1.1 相干态 CVQKD的基本原理.7 2.1.2 相干态 CVQKD的实验方案.9 2.1.2.1 相位控制 10 2.1.2.2 平衡零拍探测. 12 2.1.2.3 无开关协议13 2.2 CVQKD后续数据处理13 2.2.1 数据调和14 2.2.2 保密放大15 2.2.2.1 通用散列函数. 15 2.2.2.2 碰撞熵. 15 2.2
4、.2.3 保密放大实施方案16 第三章 LDPC码及其纠错原理 19 3.1 LDPC码的发展19 3.2 LDPC码的纠错原理 20 3.2.1 LDPC码的表示 20 3.2.2 LDPC码的编码 23 3.2.3 LDPC码的译码 24 3.3 LDPC码在数据调和中的应用27 3.3.1 数据调和的相关信源描述. 27 3.3.2 相关信源编码 28 第 I 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 3.3.3 相关信源译码 28 第四章 LDPC码的构造及数据调和的程序实现31 4.1 随机构造法构造 LDPC码校验矩阵31 4.2 数据调和编码 33 4.3 数据调和纠错译码. 3
5、4 4.4 数据调和误码率统计 36 第五章 数据调和软件简介. 39 5.1 软件介绍及参数设置 39 5.2 仿真实例演示 41 总结与展望43 致 谢 45 参考文献46 作者在学期间取得的学术成果 51 附录A LDPC码校验矩阵随机构造法程序部分52 附录B 数据调和编码程序部分 55 附录C 数据调和译码程序部分 56第 II 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表 目 录 表 2.1 各方案锁定效果比较11第 III 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 目 录 图 2.1 相干态保密通信实验装置图.9 图 2.2 相位锁定实验装置图 10 图 2.3 伺服控制系统
6、程序方框图. 11 图 2.4 平衡零拍探测器示意图12 图 2.5 基于偏振元件的平衡零拍探测器. 13 图 3.1 10,2,4 LDPC码的 Tanner图 21 图 3.2 正反向数据调和示意图27 图 4.1 LDPC码校验矩阵随机构造算法列均匀算法 32 图 4.2 LDPC码校验矩阵随机构造算法行列均匀算法33 图 4.3 反向调和 Bob端编码算法 34 图 4.4 反向调和 Alice端译码算法. 35 图 4.5 不同码长的 1/2码率的纠错性能比较 36 图 4.6 相同码长6000下不同码率的 LDPC码纠错性能比较37 图 5.1 数据调和演示软件界面图. 39 图
7、5.2 数据调和演示软件参数设置界面图 40 图 5.3 矩阵生成及随机数串产生界面图. 41 图 5.4 传输模拟与编码校验界面图 41 图 5.5 译码提取与误码率统计界面图42第 IV 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘 要 连续变量量子密钥分配CVQKD是利用光场量子态的正交振幅和正交相位进行编码的量子密钥分配方案,相对于离散变量量子密钥分配,可以使用标准通信元器件和通信波段,探测容易,抗干扰性能好,具有很好的应用前景。 本文从量子力学基本原理入手,详细介绍了相干态 CVQKD的基本原理、实验方案,并着重介绍了实验方案中的相位控制和平衡零拍探测技术,给出了自动锁定相位的程序算
8、法,比较了相位锁定的性能,以及利用平衡零拍进行差分探测的实现过程。 在介绍 CVQKD后,本文重点研究了 CVQKD经典后续数据处理过程。后续数据处理过程主要包括数据调和与保密放大两部分,文中分别予以了详述,并特别研究了低密度奇偶校验码(LDPC码)在数据调和中的具体应用。本文从经典的LDPC码信道编码到相关信源编码的推广,从 LDPC码的编译码原理到其纠错的思想本质,从 LDPC码应用于数据调和的算法设计到程序的具体实现,以及 LDPC码性能的检验和原理性验证等一系列问题做了深入的研究和探讨,程序仿真结果展现了 LDPC码在 CVQKD数据调和中卓越的纠错性能。 最后,结合自己编写的数据调和
9、软件,简单介绍了数据调和的步骤和实现过程,为进一步进行 CVQKD后处理软硬件设计奠定了基础。主题词:连续变量量子密钥分配 低密度奇偶校验码 数据调和 相关分散信源编码 第 i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ABSTRACT Continuous-variable quantum key distribution CVQKD is a protocol using the amplitude and phase quadrature of the quantum state of light to implement QKD, which can have access to st
10、andard telecom components and wavelengths compared with discrete-variable QKD. Thanks to probing easily and implementing robustly so it has extensive application perspectiveBased on the basic principles of quantum mechanics, this thesis makes a detail introduction of coherent CVQKD such as basic pri
11、nciples and experiment schemeFurthermore, phase control and balance homodyne detection technology are analyzed respectively with the phase-locking algorithm and the implementation of heterodyne detection in the QKD experimental protocol, and the performance of phase-locking is demonstrated comparing
12、 the results between different methodsAfter CVQKDs introduction, this thesis makes a focus on the classical data post-processing of CVQKD, which mainly consists of data reconciliation and privacy amplification detailed in the paper respectively. In particular, the application of the low-density pari
13、ty-check codesLDPC is specifically investigated in data reconciliation, such as the generalization of implementation from the channel coding of classical LDPC codes to correlated distributed source coding, the study from the principle of coding and decoding of LDPC codes to the ideology or essence o
14、f correcting errors, the design from the algorithm to the implementation program of reconciliation applying LDPC codes, and the verification of the performance and principle of correcting errorsSequentially, the perfect correcting errors efficiency in the reconciliation is demonstrated by the simula
15、tion of LDPC codesAt last, we simply describe the procedure and implementation of the data reconciliation with the demonstration of the software, which makes a foundation to the future soft-&-hardware design of the data post-processing of CVQKD Key Words:continuous-variable quantum key distribution low-density parity-check codes reconciliation correlated distributed source coding第 ii 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章 引言 量子密钥分配QKD允许通信双方能够提
