基于厄米-高斯光束的单光子捕获理论研究

从光波电磁场方程的TEM10和TEM01模厄米-高斯光束出发,推导了自由空间量子密钥分配的单光子捕获概率表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路,进行了单光子捕获分析.理论研究表明,对于低轨卫星-地面站间量子密钥分配,采用TEM10和TEM01模厄米-高斯型高度衰减激光脉冲作为单光子源是可行的.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM10模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析.结果表明:采用可高度衰减激光脉冲的TEM10模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子.与基模高斯光束相比,采用TEM10模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明：采用可高度衰减激光脉冲的TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比,采用TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。     

稳定的低噪声自由空间量子密钥分配实验研究

基于量子密钥分配的基本原理,采用偏振短脉冲相干光源和双FM差分密钥分配的方案,进行了自由空间量子密钥分配的实验研究. 该方案具有噪声低,稳定性高,误码率低等优点,为空间量子保密通信提供了一个有意义的实施方案,具有一定的实用价值和学术意义. 关键词： 量子保密通信 量子密钥 自由空间 差分相位编码     

星-地量子密钥分发链路持续时间分析与仿真

链路持续时间是影响卫星量子密钥分发量子比特率的重要参数.文章分析了影响星-地单光子和纠缠光子量子密钥分发链路持续时间的若干因素,并且进行了数值仿真研究.结果表明,随着轨道高度的增加或者地面最小通信仰角的减小,单光子和纠缠光子链路的持续时间有较大的改善;单光子链路时地面站同卫星星下点轨迹间的距离和纠缠光子链路时两地面站之间的距离也均是影响链路持续时间的重要参数;纠缠光子链路持续时间的影响因素较单光子链路更为复杂,其最终决定于卫星星下点轨迹同两地面站之间的位置关系.     

湍流大气对量子密钥分布系统性能的影响

自由空间量子密钥分布系统是全球性量子保密通信的关键组成部分之一。因此研究湍流大气信道对量子密钥分布系统性能的影响就非常重要。使用光束近场传播和统计分析的方法定量分析了湍流大气信道对基于BB84协议的自由空间量子密钥分布系统的误码率的影响。数值计算结果表明,大气衰减系数超过-3dB/km时,大气衰减对量子密钥分布系统的误码率影响很大;在大气传输因子小于0.5的区域,系统误码率比无湍流影响时的系统误码率高出一个数量级。     

单光子探测器性能对量子密钥分发系统的影响

根据量子密钥分发协议的原理和单光子探测器的工作模式系统分析了单光子探测器性能对量子密钥分发系统影响的物理模型,给出了单光子探测器暗计数和量子效率对系统筛选码率和量子误码率等指标产生影响的计算公式,并通过对各类量子密钥分发系统的比较,推导出了适用于一般量子密钥分发系统的普适结果。结果表明,在同等条件下采用较少的探测时间门可以提高量子密钥分发系统的性能。     

基于六态协议的实际QKD系统的窃听问题研究

基于实际量子密钥分配系统中所使用的强衰减的激光脉冲不是单光子，量子密钥分配的信道不是无损耗的，光子计数器存在探测效率和暗计数以及窃听者的技术能力也不是无限的这些具体问题.采用了分束与Breidbart基相结合的窃听策略讨论了窃听问题并给出了合法用户在筛选后的密钥中所能容忍的误码率上限公式. 关键词： 量子密钥分配 六态协议 光子数统计分布 Breidbart基窃听     

基于伪态协议的量子密钥分配系统研究

采用包含两个伪态和一个信号态的双伪态协议分析了量子密钥分配系统的性能,比较了双伪态（真空态—弱伪态）和单伪态协议条件下密钥生成率与通信距离的关系,分析了信号态的强度、量子比特误码率、单光子的增益和单光子的误码率对系统密钥生成率的影响,得出密钥生成率的最优化条件,为实现实用安全的量子密钥分配系统奠定理论基础. 关键词： 伪态协议 量子密钥生成率 量子比特误码率     

一种稳定的自由空间量子密钥分配实验系统

基于量子密钥分配的基本原理,采用B92方案,以单光子作为信息载体,使用极化编码,搭建了一个简单易行的实验装置,实现了自由空间传输的量子密钥分配,平均每脉冲光子数为0．1,粗码率12．7kbits／s,误码率4％左右。     

Theoretical Study of Quantum Bit Rate in Free-Space Quantum Cryptography

The quantum bit rate is an important operating parameter in free-space quantum key distribution. We introduce the measuring factor and the sifting factor, and present the expressions of the quantum bit rate based on the ideal single-photon sources and the single-photon sources with Poisson distribution. The quantum bit rate is studied in the numerical simulation for the laser links between a ground station and a satellite in a low earth orbit. The results show that it is feasible to implement quantum key distribution between a ground station and a satellite in a low earth orbit.     

Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km

We report on the experimental implementation of a Bennett-Brassard 1984 (BB84) protocol type quantum key distribution over a 144 km free-space link using weak coherent laser pulses. Optimization of the link transmission was achieved with bidirectional active telescope tracking, and the security was ensured by employing decoy-state analysis. This enabled us to distribute a secure key at a rate of 12.8 bit/s at an attenuation of about 35 dB. Utilizing a simple transmitter setup and an optical ground station capable of tracking a spacecraft in low earth orbit, this outdoor experiment demonstrates the feasibility of global key distribution via satellites.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获概率研究

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲,假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM01模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型,研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响;建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型;针对低轨卫星-地面站间激光链路,对单光子捕获概率进行了分析.结果表明:上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C2n(0),且随着C2n(0)的增加而减小;然而,下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C2n(0),即大气湍流对其没有影响.     

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10~(-1)到10~(-7)量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10~(-4)量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.     

基于不同介质间量子密钥分发的研究

文章主要解决了偏振编码的光子在不同介质间进行量子密钥分发的问题,定量地分析了光子不同分量的不同透过率引起的误码率问题,并实际分析了空气-水介质间量子密钥分发引起的误码率.进一步给出了可以消除这种非理想BB84协议的单光子补偿方案,以及可以采用更加鲁棒、实用性的抗界面非幺正噪声的双光子编码方案,从而为未来实现全地域广域量子通信迈出了重要的一步.     

Quantum key distribution using quantum-correlated photon sources

Quantum key exchanges using weak coherent (Poissonian) single-photon sources are open to attack by a variety of eavesdropping techniques. Quantum-correlated photon sources provide a means of flagging potentially insecure multiple-photon emissions and thus extending the secure quantum key channel capacity and the secure key distribution range. We present indicative photon-counting statistics for a fully correlated Poissonian multibeam photon source in which the transmitted beam is conditioned by photon number measurements on the remaining beams with non-ideal multiphoton counters. We show that significant rejection of insecure photon pulses from a twin-beam source cannot be obtained with a detector having a realistic quantum efficiency. However quantum-correlated (quadruplet or octuplet) multiplet photon sources conditioned by high efficiency multiphoton counters could provide large improvements in the secure channel capacity and the secure distribution range of high loss systems such as those using the low earth orbit satellite links proposed for global quantum key distribution. Received 14 July and Received in final form 20 November 2001     

量子密码通信中量子比特率理论分析

在量子密钥分配中,量子比特率是一个重要的系统参数。通过引入测量因子和筛选因子,建立了基于理想单光子源和泊松分布单光子源的量子比特率理论模型,给出了量子比特率的表达式,并对两种单光子源进行了比较分析。结果表明,当平均光子数大于1时,泊松分布单光子源能被优化。在发射机脉冲重复率一定的条件下,采用泊松分布单光子源无法达到理想单光子源的量子比特率,这是为保密通信所必须付出的代价。