GPU的QC-LDPC码译码器设计与实现

在连续变量量子密钥分发(continuous variable quantum key distribution,CV-QKD)系统中,通信双方需要在远距离低信噪比的条件下进行密钥协商,必须选用码率较低,码长较长的码字.设计了一种基于图形处理器(graphics processing unit,GPU)的准循环低密度奇偶校验(quasi-cyclic low density parity check,QC-LDPC)码的高速译码器.该译码器采用收敛速度更快的分层置信传播译码算法(layered belief propagation algorithm,LBPA)实现,减少了所需的译码循环次数,并且该译码器译码扩展因子较大的QC-LDPC码,在全矩阵大小恒定的情况下,使得子矩阵的数量相对较少,从而减少了串行译码的数量.该译码器分配GPU线程对应变量节点,增加了线程的利用率,并且将所需的基矩阵信息进行合并存储,减少了GPU内存的占用.仿真结果表明,在译码长为106,码率为0.1的码字,且同时译码16个码字,迭代50次的情况下,该译码器达到了41.50 Mbits/s的吞吐量.     

基于逆向协调的连续变量量子密钥分发数据协调

采用低密度奇偶校验码（LDPC）实现了逆向协调的连续变量量子密钥分发的仿真研究。采用多级编码／多级译码结构的协调校验方案,充分利用矢量量化、迭代译码等优化技术,并结合最逼近仙农极限的信道编码,实现了高效率的逆向协调算法。通过仿真计算,最终能够实现20km单模光纤中2.2kb／s的密钥传输速率,编码效率达到0.89,并且仍有很大的提高余地。     

基于极化码的单步量子密钥分发后处理

量子密钥分发结合一次一密的加密方案可以在理论上保证通信的无条件安全性。然而,量子密钥后处理过程中的误码纠错和密性放大两个步骤引入了较高的处理延时,影响了最终安全密钥生成速率以及量子密钥分发系统的实用性。故此,本文提出一种基于极化码的单步高效量子密钥后处理算法,根据Wyner窃听信道模型分析合法通信双方以及窃听者的信道容量,设计可同时满足可靠性和安全性的极化码码字结构用于量子密钥分发后处理,从而实现在一次编译码步骤中同时完成误码纠错和密性放大,将两个处理步骤合二为一,降低了系统复杂度和处理延时。实验结果表明,在量子比特误码率[0,0.08]范围内,所提出算法可同时满足纠后误码率10-7的可靠性条件以及窃听信息量10-14的安全性条件,码长为220比特时,译码吞吐率可达3Mbps,采用并行算法的译码吞吐率可达86Mbps。     

用于连续变量码率自适应的数据协调方案

量子密钥分发能够使得合法通信双方共享一组无条件安全的密钥。数据协调是量子密钥分发过程中非常重要的一个环节,能够对密钥分发过程中产生的错误进行纠错。低密度奇偶校验(LDPC)码是一种性能接近于Shannon极限的信道纠错码,适用于高效的数据协调。为了达到高的协调效率,需要根据信道的信噪比适当地选择最佳的LDPC码的码率。我们提出了一种适用于高斯调制连续变量量子密钥分发的码率可调的数据协调方案:当信道信噪比发生变化时,使用码率调整技术对数据协调过程中每一级LDPC码的码率进行适当地调整,从而确保数据协调的效率在一定信噪比变化范围内能够保持。     

扩展原模图LDPC短码的优化构造

为设计高纠错性能且低复杂度的准循环-低密度奇偶校验(QC-LDPC)短码,提出了扩展原模图的码优化构造方法.在优化的原模图基础上,通过优化删除节点及扩展该模板校验节点为复合线性分组码扩展节点,并提升子矩阵维度来构造高效短码长QC-LDPC码.采用针对准循环基矩阵渐进边增长(PEG)扩展和准循环-改进的渐进环外消息度(QC-IACE)算法,优化搜索循环置换子矩阵偏移量,联合优化与改善码字停止集、陷阱集及围长与环分布等关系,综合提高码性能.仿真表明:所构造的QC-LDPC短码具有较好的误比特率性能,接近现有高性能随机码字,但码长较短,复杂度和编译码延迟相对较低.     

面向连续变量量子密钥分发的多边型LDPC码设计与性能分析

为满足连续变量量子密钥分发(continuous-variable quantum key distribution, CV-QKD)应用场景中对高性能低密度奇偶校验(low density parity check, LDPC)码的需求,提出了针对一类具有3种边类型且部分变量节点度为1的多边型LDPC(multi-edge type LDPC, MET-LDPC)码的设计方法。通过掩模到需要的度分布的方式设计左上角矩阵;采用基于多路径外在信息度(extrinsic message degree, EMD)策略的渐进边增长(progressive edge growth, PEG)算法设计左下角矩阵;将各部分矩阵组合在一起完成MET-LDPC码的设计。仿真结果表明,采用掩模加PEG算法设计的MET-LDPC码比单独用PEG算法设计的MET-LDPC码性能更优。     

基于NMF及其正交投影变换的数字水印算法

提出一种基于非负矩阵分解(non-negative matrix factorization,NMF)及其正交投影变换的数字水印算法.利用NMF构造图像基于部分表示的基矩阵,将其正交并作为水印检测的密钥;将水印信息嵌入图像在正交基矩阵上投影的系数矩阵;再通过反变换重构图像.由于上述措施保持了NMF部分表示整体的能力,且改迭代运算为矩阵投影运算,因而算法在重构精度方面表现出明显的优势.将其应用到数字水印系统,并与文献[4]中实现的水印算法进行对比.实验结果表明,改进算法的鲁棒性更好,实用性更强.     

量子通信中的量子加密网络

对量子密钥分发协议进行了研究，利用点－点量子密钥分发协议的基础上，基于传统密钥托管方案，推广到多点之间（即在网络环境下）的密钥分发协议，提出了多用户、多控制中心网络环境下量子密钥分发过程的实现方法。各中心节点只起到密钥存储、Bell基联合测量、对密钥进行接力传送的作用，密钥是动态产生的，各中心并不知道最终生成的密钥。     

一种基于NMF的零水印算法

提出一种基于非负矩阵分解(Non-negative Matrix Factorization, NMF)构造密钥的二值零水印算法.先对载体图像进行NMF变换得到基于部分表示的基矩阵和相应的系数矩阵;再将水印置乱并扩展为系数矩阵的大小,比较相同位置上的二值水印与系数阵元素二进制编码的某个高位面值;当结果相同时,标记其位置在一个空白矩阵中,该矩阵随后作为密钥来检测水印.经过这样处理,水印信息嵌入到系数阵元素的高位面却并没有改变其值,使得嵌入水印图像表现出较好的抗攻击性能.通过与DCT零水印算法的比较实验,证明了本文算法的有效性.     

高效量子密钥分发系统协议研究

本文详细比较了各类量子密钥分发系统协议的密钥生成效率,对目前提高量子密钥分发协议效率的方法进行了总结,并对利用单光子多比特量子态提高量子密钥分发系统效率的方法进行了分析和展望。     

光场压缩态与纠缠态的增强及量子信息网络

光场压缩态和纠缠态是进行量子精密测量和量子信息研究的重要资源.文章简要介绍光场压缩态和纠缠态的增强及其在量子密钥分发、连续变量多组分纠缠态光场的制备、量子通信网络和量子计算中的应用.     

基于相位编码的诱骗态量子密钥分发系统的优化

基于相位编码的边带干涉量子密钥分发系统具有稳定性高、多通道复用传输等优点,适用于量子通信网络;但是在边带干涉量子密钥分发中直接应用诱骗态协议时会带来安全漏洞.通过优化载波比(1.06)克服了安全漏洞,在25 km光纤中实现了稳定的诱骗态量子密钥分发,通过优化实验参数系统每脉冲成码率最大为1.28×10~(-4) bit.     

Turbo码在量子密钥数据协调中的应用

根据Turbo码的译码原理,提出了一种Turbo码在量子密码通信(QCC)中对量子密钥进行数据协调的应用方案.首先,介绍了利用Turbo码作为数据协调方法的QCC的总体方案和Turbo码在QCC中应用的原理;其次,阐述了利用Xilinx EDK软件平台进行Turbo译码器和以太网络模块的SoPC的设计;最后,给出了Turbo码数据协调在QCC中应用的方案,将构建的SoPC应用到QCC中,并对实验结果进行了分析.     

Simon算法对SIMON密码的密钥恢复攻击

近年来,随着量子技术被应用到密码算法的安全性分析中,经典密码算法的安全性受到了极大的威胁.将Simon量子算法应用到SIMON密码的分析之中,成功构造一个周期函数,将3轮SIMON密码与随机置换区分开.随后对该周期函数满足Simon问题条件的参数进行估计,找到且证明其存在一个上界,从而计算出SIMON32/48/64这3类密码对应参数的上界值.最后通过分别构造加密和解密过程相应的区分器,对6轮SIMON密码进行了密钥恢复攻击,得到了4个轮密钥,并给出了该攻击的时间复杂度.     

置换密钥矩阵加密算法的改进

提出了对分组加密算法(RKM)的改进,主要包括密钥进化算法、特征因子子矩阵和密钥的分发与更新算法.密钥进化算法是特征因子子矩阵生成算法和密钥分发与更新算法的基本组件,由一个16字节的单字节数组(称为进化指针)和一个密钥矩阵计算一个新的密钥矩阵.特征因子子矩阵是把128 bit矩阵特征因子作为进化指针代入密钥进化算法计算而得.在引入特征因子子矩阵的基础上对算法流程进行了改进,使算法的加、解密完全对称.在不降低算法安全性的基础上减少了4轮异或运算,从而降低了运算量.在密钥进化算法的基础上设计了密钥的分发与更新算法,使算法无需每次传输密钥矩阵就能共享.     

基于杨辉三角结构的 QC-LDPC 码构造

针对准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)码中准循环基矩阵的移位系数确定问题,提出基于杨辉三角结构的确定方法。该方法构造的校验矩阵不含四环,移位系数由简单的数学表达式确定,编码复杂度与码长呈线性关系,节省存储空间,对码长和码率参数的设计具有较好的灵活性。仿真结果表明:在加性高斯白噪声信道和BP译码算法下,该方法构造的码字在误比特率为10-4时,信噪比优于随机LDPC码接近0.3 dB,在误比特率为10-6时优于DVB-S2标准的LDPC码0.2 dB,并可以获得与IEEE 802.16e码相一致的性能。同时表明合理的选择循环移位矩阵的尺寸,可以改善码字的误比特率性能。     

稀疏随机纠删码:一种大规模数据存储容灾方法

针对海量数据存储容灾系统中对扩展性、可靠性及高效性方面的需求,提出了一种高容灾可扩展且能够高概率译码恢复的高效大数据存储容灾算法。该算法利用等行重稀疏随机矩阵高概率行满秩的性质,用来实现数据高效可靠的存储容灾。首先,根据存储系统规模及容灾需求设置相应的编码参数;然后,采用等行重稀疏随机矩阵构造校验矩阵,并且产生相应的生成矩阵;最后,将数据文件分块编码到n个存储节点上,实现不同规模、不同容灾需求下的数据容灾存储,并通过设置合理的随机冗余,从而实现对译码成功率的控制。实验和理论分析表明:算法所提存储容灾技术可实现容灾能力不受素数或有限域大小的限制,而是根据存储规模及容灾需求灵活扩展;基于合理的随机冗余,译码成功率趋于1,实现了高可靠的数据容灾存储;在较大规模存储系统中,算法编译码速率是相应经典RS和CRS编码方案的2倍以上,并在较大码长下具有近似最大距离可分(MDS)的性质,可达到近似最优的存储空间利用率。     

基于偏移量周期填充的 QC-LDPC 码构造方法

准循环低密度奇偶校验卷积 (QC-LDPC-C: Quasi-Cyclic Low Density Parity-Check Convolutional)码其校验 矩阵的构造需避免 4 环,且不考虑结构特点的直接构造会使构造的计算复杂度呈指数增长。为此,提出 QC-LDPC-C码的基于子矩阵偏移量周期性填充的构造方法。该方法利用基校验矩阵的周期性,首先填充基校 验矩阵中确定的子矩阵部分,以实现快速编码,而后在基校验矩阵的随机子矩阵的构造中采用子矩阵偏移量的 优化选择,使每次位置选择并周期性填充后获得的矩阵能满足无 4 环的扩展矩阵结构,得到扩展后无4 环的基 校验矩阵,从而令扩展后的校验矩阵的围长至少为 6。将具有不同参数的 LDPC-C 码与基于该方法构造的 QC-LDPC-C码进行测试和比较,实验结果表明,后者可获得较好的译码性能,同时编译码复杂度较低。     

一种新的量子密钥分发、认证协议

为了提高量子密钥的分发效率,降低信道要求,并在密钥分发过程中实现身份认证,提出了一种新的量子密钥分发协议,在该协议中载波光子的发送与接收仅由一方完成.该协议只有一条量子信道,通过在量子信道的中段对光子进行偏振调制,可将欲传递的信息附加到光子上;同时,该协议通过通信双方的共享信息进行身份认证,避免了以往同类协议中不安全的经典信道.该协议属于偏振光类型的量子传输协议.当收发均由一方进行时,能有效地提高光子的利用效率,并增强安全性能.     

基于偏振追踪的卫星量子密钥分配研究

卫星量子密钥分配是克服基于光纤密钥分发中距离限制的有效途径,偏振追踪技术是卫星量子密钥分配的关键技术。在光地面站和卫星之间的自由空间中进行量子密钥分配时,由于卫星的运动往往造成光子偏振态发生变化。为实现移动终端间基于偏振的量子密钥分配,本文提出基于偏振追踪机制量子密钥分配的通用参考框架,实现接收端在不需要有关发射端方向信息的前提下,仅通过检测标光信号即可判断收发方参照共同偏振基的向量。另外,本文还设计了采用上述框架的自由空间量子密钥分配原型系统。