激光与光电子学进展, 2020, 57 (23): 230603, 网络出版: 2020-11-24   

光通信物理层安全中量子噪声流加密 下载: 1660次

Quantum Noise Stream Cipher of Optical Communication in Physical Layer Security
作者单位
1 国家电网甘肃省电力公司信息通信分公司, 兰州 甘肃 730000
2 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
图 & 表

图 1. Y-00加解密配置图

Fig. 1. Diagram of Y-00 encryption and decryption configuration

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图 2. Y-00密钥生成过程

Fig. 2. Y-00 key generation process

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图 3. Y-00加密过程

Fig. 3. Y-00 encryption process

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图 4. QNSC的关键技术

Fig. 4. Key technique of QNSC

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图 5. ISK/QNSC原理图

Fig. 5. Schematic of ISK/QNSC principle

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图 6. 两种技术的原理图。(a) PSK/QNSC; (b) QAM/QNSC

Fig. 6. Principle schematic of two technologies. (a) PSK/QNSC; (b) QAM/QNSC

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图 7. 内生安全光通信系统理论模型

Fig. 7. Theoretical model of endogenously secure optical communication system

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图 8. 内生安全光通信研究进展

Fig. 8. Research progress of endogenously secure optical communication

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图 9. 安全传输密钥协商联合系统实物图

Fig. 9. Physical diagram of secure transmission and key negotiation joint system

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图 10. 实验结果。(a)输入信号功率对Q因子的影响结果;(b)输入信号功率对误码率的影响结果;(c)信息截获概率与距离的关系;(d)通信方密钥一致性测试结果

Fig. 10. Results of the experiment. (a) Effect of input signal power on Q factor; (b) effect of input signal power on BER; (c) relationship between the probability of information interception and distance; (d) key consistency test results of communication parties

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表 1BB84类型协议与Y-00对比[3]

Table1. Comparison between BB84-TYPE and Y-00[3]

Comparison contentBB84-TYPEY-00
PurposeKey generationCurrently data encryption(can be used for key generation)
Means of advantage creationIntrusion-level detectionAsymmetric optimal measurement
Intrusion detectionPrecise intrusion-level estimation needed to bound information leakNot needed but can be implemented to increase security/data rate
Use of pre-shared keyNot required by design(needed for authentication to avoid MIM)Essential for encryption
Man-in-the-middle(MIM) attackProne toNot prone to(due to the use of pre-shared key)
Mean number of photons~0.1(non continuous variable-QKD)≫1(10--1000 and above)
Maximum data rate reported~1Mbit/s>10Gbit/s
Detector technologySingle-photon detectorConventional photo-detector
Long distance applicationQuantum repeaterConventional optical amplification

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表 2运行密钥随机性检测结果

Table2. Running key randomness test result

Test itemPseudo randomnumber generatorTest itemPseudo randomnumber generator
Frequency0.735678Linear complexity0.292823
Block frequency0.875266Sequence0.903806
Run0.2251670.623760
Intra-block longest run0.665906Approximate entropy0.525363
Rank of binary matrix0.197381Accumulation0.540815
Discrete Fourier transform0.9780590.847687
Non-overlapping module matching>0.01117Random walk>0.010981
Overlapping module matching0.196138Random walk state frequency>0.152266
General statistics of Maurer0.948782Linear complexity0.292823

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马乐, 张杰, 王博, 雷超, 李亚杰, 曲倩, 肖博, 王瑜曈, 袁平亮. 光通信物理层安全中量子噪声流加密[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(23): 230603. Le Ma, Jie Zhang, Bo Wang, Chao Lei, Yajie Li, Qian Qu, Bo Xiao, Yutong Wang, Pingliang Yuan. Quantum Noise Stream Cipher of Optical Communication in Physical Layer Security[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(23): 230603.

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