高性能连续变量量子密钥分发关键技术与系统
发布时间:2019-05-27   浏览次数:  返回列表
1、项目名称:高性能连续变量量子密钥分发关键技术与系统
2、推荐单位:上海交通大学
3、项目简介:
项目属于量子光学、数据安全与计算机安全等交叉领域。
网络与通信安全技术得到了广泛应用,其中如何获取安全密钥是一个挑战性问题,量子密钥分发技术是该问题众多解决思路中的一种有效途径,主要有两种实现技术:单光子量子密钥分发和连续变量量子密钥分发(为简便,“连续变量量子密钥分发”简写为“CVQKD”)。项目组针对CVQKD技术开展了近20年产学研攻关,突破了CVQKD技术在安全传输距离、安全码率、系统实际安全性、装备研制等重要方面的瓶颈,取得了集机理、技术、装备、应用推进于一体的创新性成果。主要发明点如下:
1、CVQKD的长距离安全传输技术。通过显著提升相位及偏振补偿精度(0.1°)、平衡零差探测器灵敏度(光子数分辨水平)、过噪声抑制能力(降低两个数量级),突破了长距离安全传输技术瓶颈,首次在商用光纤中实现了150公里长度的安全密钥分发,是国际学术同行的近2倍,且保持领先至今,为CVQKD技术应用提供了距离保障。
2、CVQKD的高安全码率技术。通过显著提升位帧同步效率(99%)、数据协商速率(25Mbps)、平衡零差探测器带宽(1GHz)、数据采集与处理速度(提升25倍),突破了高安全码率技术瓶颈,将安全码率提升到3.14Mbps(城域网范围),是国际学术同行的200倍以上,且保持领先至今,为CVQKD技术应用提供了速率保障。
3、CVQKD的实际安全性防御技术。发明了本地本振CVQKD、信号峰谷值查找、量子身份认证、量子签名等新方法,不但消除了本振信号传输引入的实际安全性漏洞,而且可有效防御所有已知的量子黑客攻击策略,并构建了量子安全认证架构,为CVQKD技术应用提供了实际安全性保障。
4、CVQKD的装备研制与应用示范。通过解决CVQKD系统稳定性、鲁棒性、模块化、集成化、融合性等方面难题,突破了CVQKD装备研制与工程应用瓶颈,研制了长距离CVQKD、高速CVQKD、CVQKD系统实际安全性监控等样机,以及QDM500系列终端设备、QSG1000量子网关、WDM200量子波分复用设备、HDT10M平衡零差检测器、CVQKD系统系列软件等商用产品,完成了国际上首个商用光纤CVQKD网络应用示范,为CVQKD技术应用提供了装备与工程保障。
已授权发明专利16项(申请63项),登记软件著作权18项,发表SCI期刊论文53篇,其中ESI高被引论文1篇,SCI引用981次。项目组完成了CVQKD机理、核心技术和装备研制的重要突破,孵化了高新技术企业,为培育新产业做出了贡献。产品已在企业、政府、科研等领域应用,三年新增利润1.4亿元,新增税收2247万元,产生了良好社会和经济效应,对我国网络与通信安全进一步发展具有重要意义。
项目组培养了博士后2 名、研究生62名,其中8人获得国家奖学金,4人评为优秀毕业生,并培养了德/法国际交流生2名,国内短期访问学者12名。项目组参与了我国多个量子通信标准制定和白皮书撰写、加入了“量子信息科学国家实验室”筹建队伍、正在承担国家和上海市重大专项课题研究,在连续变量量子密码通信基础研究和应用推进方面发挥了不可替代的作用。
4、推广应用情况:
在本项目中,上海交通大学联合中南大学及上海循态信息科技有限公司,经历近20余年产学研联合攻关,研制了高速CVQKD原理样机、高速CVQKD监控平台、连续变量量子通信数据传输平台、连续变量量子密码混传实验平台、连续变量量子通信视频传输平台等多种CVQKD相关产品,已在企业、政府、科研等领域进行了应用示范和实际应用,如中移铁通有限公司长沙分公司、贵阳货车帮科技有限公司、西北大学、上海交通大学义乌智能技术研究院等,三年新增利润1.4亿元,新增税收2247万元。应用情况表明:基于CVQKD技术的保密通信显著提升了信息传输的安全性,所使用的CVQKD技术安全传输距离和安全码率相比之前得到了极大提升,实际安全性得到显著改善,整体应用性能及稳定性得到大幅提升。这些应用示范和工程应用,不但验证了CVQKD技术保证数据安全传输的可行性,而且促进了相关企业的发展,产生了良好的社会效应和经济效应,为培育新的产业奠定了扎实基础,对我国网络与信息安全进一步发展和下一代高性能通信网的建设具有重要意义。代表性应用单位情况如表1所示。
1 部分代表性应用单位情况
应用单位名称 应用技术 应用的起止时间 应用单位联系人/电话 应用情况
贵阳货车帮科技有限公司 整体应用 2016.3-2018.12 李科
17585586678
极大改善了数据中心间数据传输安全性并提升了安全码率。
株洲嘉成科技发展有限公司 整体应用 2016.4-2018.12 朱逸武
18973309581
极大提升了公司用户数据传输安全性,提高了经济效益。
中移铁通有限公司长沙分公司 整体应用 2016.1-2018.12 魏佳
13707311129
保障了市辖区分公司之间高安全性及高速数据安全传输。
西北大学 整体应用 2015.7-2017.12 刘维琪
18191459565
西北大学相关团队基于此平台取得了良好科研成果,正推进陕西省重点实验室建设。
西北大学 高速密钥分发技术 2018.1-2018.12 刘维琪
18191459565
由陕西省科技厅主导,西北大学承建,用于陕西省量子信息技术应用示范,效果良好。
上海交通大学义乌智能技术研究院 整体应用 2018.1-2019.4 徐昌庆
13816108318
由义乌市政府主导,用于政务业务应用示范,示范效果良好。
中国铁路广州局集团有限公司衡阳工务段 高速密钥分发技术 2016.1-2018.12 张文仁
13925189955
实现铁路数据高速加密传输示范,提高了数据传输安全等级。
 
 
5、曾获科技奖励情况:无
 
6、主要知识产权证明目录:
知识产权类别 知识产权具体名称 国家(地区) 授权号 授权日期 证书编号 权利人 发明人 发明专利有效状态
授权发明专利 基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法 中国 ZL201510435726.2 2018.5.4 第2913288号 上海交通大学 黄鹏,黄端,林大凯,彭进业,曾贵华 有效专利
授权发明专利 一种量子密钥分发系统相位补偿方法 中国 ZL201410567665.0 2017.08.1 第2572007号 上海交通大学 林大凯,黄端,刘友明,黄鹏,曾贵华 有效专利
授权发明专利 连续变量量子密钥分发系统的偏振补偿实现方法 中国 ZL201210389008.2 2015.05.20 第1674623号 上海交通大学 房坚,黄端,何广强,曾贵华 有效专利
授权发明专利 一种差分的非高斯操作放射性连续变量量子密钥分发方法 中国 ZL201310728586.9 2017.2.15 第2378953号 中南大学 郭迎,马红玲,罗鹏,王萍,王硕,王一军,李伟 有效专利
授权发明专利 一种量子密钥分发系统位帧同步方法 中国 ZL201510096531.X 2018. 4. 17 第2887929号 上海交通大学 林大凯,黄端,黄鹏,曾贵华 有效专利
授权发明专利 适合连续变量量子密钥分发的高速秘密协商方法 中国 ZL201410338823.5 2018.04.20 第2889591号 上海交通大学 林大凯,黄端,刘友明,汪超,黄鹏,曾贵华 有效专利
授权发明专利 高速连续变量量子密钥分发系统及其位帧同步方法 中国 ZL201410301263.6 2017.9.8 第2612421号 上海交通大学 刘友明,汪超,黄瑞,黄鹏,冯晓毅,曾贵华 有效专利
授权发明专利 一种连续变量量子密钥分发安全防御方法 中国 ZL201410728440.9 2018. 1.19 第2784467号 上海交通大学 黄鹏,黄端,刘维琪,韩二虎,曾贵华 有效专利
授权发明专利 基于放大真空态的量子随机数发生器及方法 中国 ZL201410035482.4 2017.1.4 第2335284号 上海交通大学 汪超,黄端,黄鹏,刘友明,房坚,曾贵华 有效专利
计算机软件著作权 循态量子密钥分发控制软件V1.0 中国 2018SR428228 2018.6.7 软著登字第2757323号 上海循态信息科技有限公司 上海循态信息科技有限公司 有效专利
 

7、主要完成人情况表:
(1)姓名:曾贵华
排名:1
技术职称:教授
工作单位:上海交通大学
完成单位:上海交通大学
对本项目技术创造性贡献:
洪堡学者,军委科技委某主题专家,本项目总负责人和总体技术路线制订者,是4个发明点的重要贡献人。具体情况如下:1.主持发明了长距离CVQKD核心技术,创造了最长安全传输距离CVQKD世界纪录;2. 主持发明了CVQKD核心技术,创造了最高速CVQKD世界记录;3.主持发明了针对CVQKD整体实际安全性防御方法,并提出了基于本地本振、量子签名及量子身份认证的安全防御新方法;4. 主持研制了多套高性能CVQKD系统及QDM500系列CVQKD密钥管理终端设备等商业产品,并完成了基于商用光纤PON网三节点及交大校园网的CVQKD通信试验。本项目研发工作中投入的工作量占本人工作总量的70%。已授权发明专利14项(附件5-7至5-8),发表论文49篇(附件5-11至5-13)。
曾获科技奖励情况:2003年获得上海市科协第九届青年优秀科技论文二等奖
(2)姓名:郭迎
排名:2
技术职称:教授
工作单位:中南大学
完成单位:中南大学
对本项目技术创造性贡献:
本项目主要参与人,对项目4个发明点均做出了创造性贡献。具体情况如下:1.发明了一种差分的非高斯操作放射性CVQKD方法,并提出了基于区分检测和非高斯操作的长距离CVQKD方法;2.提出了基于多芯光纤的高安全码率CVQKD方法;3.提出了基于量子签名的安全防御新方法;4.主持发明了基于偏振光的密钥分发系统。本项目研发工作中投入的工作量占本人工作总量的70%。已授权发明专利2项(附件5-7至5-8),发表论文9篇(附件5-11至5-13)。
曾获科技奖励情况:2016年湖南省自然科学奖二等奖排名第二
(3)姓名:黄鹏
排名:3
技术职称:副研究员
工作单位:上海交通大学
完成单位:上海交通大学
对本项目技术创造性贡献:
本项目主要参与人,对项目4个发明点均做出了创造性贡献。具体情况如下:1.首次提出了基于非高斯操作的长距离CVQKD方法,并发明了最长安全传输距离CVQKD噪声分析模型及参数评估方法;2.发明了基于相关性的高速高效位帧同步方法及高速保密增强算法;3.发明了针对CVQKD整体实际安全性防御方法;4.研制了高性能CVQKD系统及QDM500系列商业终端设备中的参数评估算法及光路模块,并参与完成了基于交大校园网的CVQKD通信试验。本项目研发工作中投入的工作量占本人工作总量的70%。已授权发明专利8项(附件5-7至5-8),发表论文38篇(附件5-11至5-13)。
曾获科技奖励情况:无
(4)姓名:汪超
排名:4
技术职称:高级工程师
工作单位:上海循态信息科技有限公司
完成单位:上海循态信息科技有限公司
对本项目技术创造性贡献:
本项目主要参与人,对项目第二、三、四发明点做出了创造性贡献。具体情况如下:1. 研制了高速数据采集及信号控制模块,实验验证了高速高效位帧同步算法;2. 发现了有限采样带宽效应引入的实际安全性漏洞,并提出了同步采样防御方法;3. 发明了量子随机数发生器、高性能CVQKD样机所需的各类软件,研制了25MHz高性能CVQKD原理样机以及QDM500系列终端设备等CVQKD相关商用产品中的数据采集及控制软硬件。本项目研发工作中投入的工作量占本人工作总量的60%。已授权发明专利4项(附件5-7至5-8),登记软件著作权18项,发表论文8篇(附件5-11至5-13)。
曾获科技奖励情况:无
(5)姓名:黄端
排名:5
技术职称:副教授
工作单位:中南大学
完成单位:上海交通大学
对本项目技术创造性贡献:
本项目主要参与人,对项目4个发明点均做出了创造性贡献。具体情况如下:1.发明了高灵敏度量子零差检测器及低噪编解码光路,实验实现了150km最长安全传输距离CVQKD;2.发明了高带宽量子平衡零差检测器及高速编解码光路,完成了最高速CVQKD世界记录的多个实验;3.首次提出了基于本地本振的安全防御新方法;4.研制了连续变量量子通信安全数据传输平台,并完成了基于交大校园网的CVQKD通信试验。本项目研发工作中投入的工作量占本人工作总量的60%。已授权发明专利7项(附件5-7至5-8),发表论文23篇(附件5-11至5-13)。
曾获科技奖励情况:无
(6)姓名:王一军
排名:6
技术职称:教授
工作单位:中南大学
完成单位:中南大学
对本项目技术创造性贡献:
本项目主要参与人,对项目第一、四发明点做出了创造性贡献。具体情况如下:1.提出了基于无噪线性放大器的长距离自参考CVQKD方法;2. 参与发明了基于偏振光的密钥分发系统中的偏振控制方法。本项目研发工作中投入的工作量占本人工作总量的50%。已授权发明专利2项(附件5-7至5-8),发表论文9篇(附件5-11至5-13)。
曾获科技奖励情况:无