國(guó)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(shí)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(wú)條件安全密鑰傳輸設(shè)備。
量子誤碼率，是QKD設(shè)備的一項(xiàng)重要產(chǎn)品指標(biāo)，它指的是QKD產(chǎn)品由于系統(tǒng)性誤差、竊聽(tīng)者干擾或信道干擾導(dǎo)致的量子比特錯(cuò)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)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(dá)到了一個(gè)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)水平。
主導(dǎo)此項(xiàng)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。”宋蕭天博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系，工作經(jīng)驗(yàn)豐富，一直從事量子光學(xué)、量子密鑰分發(fā)、量子隨機(jī)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(méi)有它進(jìn)行量子密鑰的產(chǎn)生和分發(fā)，后續(xù)的加密工作都無(wú)法順利進(jìn)行。量子通信應(yīng)用體系分成了三層架構(gòu)，在整個(gè)量子加密系統(tǒng)中，最底層為量子密鑰傳輸層，該層通過(guò)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(shí)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(fù)責(zé)儲(chǔ)存和管理QKD中生成的量子密鑰。通過(guò)安全中繼等技術(shù)實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的密鑰共享，并為上層提供安全的密鑰和認(rèn)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(guò)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(cè)器、激光器、量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器當(dāng)屬最為重要的三大器件；而在說(shuō)明QKD好壞的重要指標(biāo)中，成碼率與誤碼率是關(guān)鍵指標(biāo)。
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(cuò)誤信息所占的比例。造成誤碼的情況在實(shí)際操作中大致分兩種，一是由于QKD系統(tǒng)本身每個(gè)模塊需要調(diào)制解調(diào)，調(diào)制之間會(huì)產(chǎn)生無(wú)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(guò)程被竊聽(tīng)者竊聽(tīng)或信道干擾，會(huì)導(dǎo)致量子比特出現(xiàn)錯(cuò)誤，這些量子比特的錯(cuò)誤在接受、探測(cè)之后便形成數(shù)字比特錯(cuò)誤，導(dǎo)致誤碼。
誤碼率就越低，在最后數(shù)據(jù)處理時(shí)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(shí)，是不存在系統(tǒng)誤差這一項(xiàng)的，于是，會(huì)把所有系統(tǒng)的不完美都?xì)w類(lèi)為竊聽(tīng)者的所作所為。在密鑰后處理過(guò)程中，會(huì)通過(guò)對(duì)基、糾錯(cuò)等操作來(lái)糾正中因器件不完善、信道和環(huán)境的影響以及竊聽(tīng)等因素造成的錯(cuò)誤比特，并通過(guò)保密放大技術(shù)將發(fā)射端與接收端的糾錯(cuò)后密鑰進(jìn)行壓縮得到安全密鑰，從而將竊聽(tīng)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(gè)數(shù)據(jù)是如何達(dá)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(dá)到的？宋蕭天博士介紹，團(tuán)隊(duì)從方案設(shè)計(jì)，到探測(cè)器性能、干涉環(huán)匹配程度、調(diào)制精度上都進(jìn)行了深究。
在方案設(shè)計(jì)上，團(tuán)隊(duì)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(jì)出獨(dú)有的方案。此方案主要設(shè)計(jì)者正是宋蕭天博士，設(shè)計(jì)方案也獲得了相關(guān)知識(shí)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(duì)系統(tǒng)誤差的檢測(cè)改良，需考慮光強(qiáng)與光強(qiáng)比的契合程度；在探測(cè)器性能上，也就是單光子探測(cè)器，需運(yùn)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(chǎng)被國(guó)外企業(yè)壟斷，團(tuán)隊(duì)主要從外部電路的設(shè)計(jì)上進(jìn)行改觀，需要考慮暗計(jì)數(shù)、后脈沖、探測(cè)效率等指標(biāo)（暗計(jì)數(shù)率低于；后脈沖率≤2%；探測(cè)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(zhǔn)的反饋機(jī)制。這些都是研發(fā)中需要面對(duì)并解決的問(wèn)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(jìn)程中的一個(gè)“小勝利”。宋蕭天現(xiàn)任九州量子的量子設(shè)備實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、技術(shù)總監(jiān)，主要負(fù)責(zé)公司量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的研發(fā)工作，團(tuán)隊(duì)成員40人，并根據(jù)QKD設(shè)備的不同模塊進(jìn)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(jìn)行突破。
現(xiàn)階段，九州量子的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)達(dá)到48件，實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)46件，外觀專(zhuān)利3件，其中13件實(shí)用新型專(zhuān)利授權(quán)。
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