基于双边类型低密度奇偶校验码的连续变量量子密钥分发多维数据协调

在连续变量量子密钥分发(CVQKD)多维数据协调过程中,低密度奇偶校验码(LDPC)的纠错性能直接影响协调效率和传输距离。构造了一种双边类型的低密度奇偶校验码(TET-LDPC),引入了类似于重复累积码中的累积结构以提高其纠错性能,在多维数据协调算法中得到了更小的收敛信噪比、更高的协调效率以及更远的传输距离。仿真结果表明:当TET-LDPC的码率为0.5,分组码长为2×10~5时,收敛信噪比降至1.02dB,协调效率达到了98.58%,安全密钥率达到17.61kb/s,CVQKD系统的传输距离提高为44.9km。     

量子高斯密钥分发的逆向数据协调

加密系统中Alice端通过光纤传送相干态量子信号给Bob端,得到的一系列相关的高斯连续变量,然后从中提取出二进制密钥,这一过程称作高斯连续变量量子密钥分发.其中的数据协调步骤,即对相关连续变量的错误校正,是本文的研究问题.本文在分层错误校正协议(SEC)和多电平编码/多级解码(MLC/MSD)协议的基础上,用基于LDPC码的Slepian-Wolf编译码器实现协调.根据连续变量的多级Tanner信息传输流图,本文推导了多级迭代的内信息和外信息置信传播(LLR-BP)更新公式,并用实验比较了MSD三种译码模式的收敛性质及性能.仿真结果表明该算法可在信道信噪比2.5 dB以上实现10000个连续变量序列的可靠协调,协调效率可达92.3％.     

连续变量量子密钥分发多维数据协调算法优化

针对连续变量量子密钥分发(CVQKD)通信距离较短的问题,在多维数据协调方案的基础上,利用连续密度进化和差分进化方法,设计出优质度数分布的低密度奇偶校验(LDPC)码,并提出LDPC码码字重复方法,进一步提高多维数据协调的效率,有效地降低了收敛信噪比,延长了信息传输距离。实验仿真结果表明:在分组码长为106时,收敛信噪比能够降低至-6dB以下,协调效率可达90.27%,提取到的安全密钥量为0.22kb/s,信息传输距离超过80km,该方法可有效延长CVQKD系统的通信距离。     

高斯量子密钥分发数据协调的性能优化

针对高斯量子密钥分发的数据协调问题,对高斯连续变量进行了最优量化,实现了Alice和Bob之间的互信息量最大。在分层错误校正(SEC)协议和多电平编码/多级解码(MLC/MSD)协议的基础上,各级码流采用了低密度奇偶校验码(LDPC)进行错误校正,并推出了一次硬信息级间迭代更新公式参与MSD译码算法。算法实现中使用双向十字链表方式存贮LDPC码的稀疏矩阵H,并用C语言实现整个数据协调过程,极大地降低了空间复杂度,提高了协调速度。实验仿真结果表明该算法可在信道信噪比4.9dB以上实现2×105个连续变量序列的可靠协调,协调效率达91.71%,在2.4GHz CPU,32G内存服务器平台上的协调速度可达7262bit/s。     

用于多维数据协调的双边类型LDPC码

在连续变量量子密钥分发(CV-QKD)多维数据协调中,协调效率和密钥传输距离取决于低密度奇偶校验(LDPC)码的纠错性能。在本研究中构造了一种拥有重复累积(RA)码中累积结构的高码率双边类型LDPC码(TET-LDPC),这种双边类型LDPC码在多维数据协调中相比于普通LDPC码可以得到更好的协调性能。经仿真结果可知,在信噪比为1.68 dB时,本文构造的码长为2×10~5的TET-LDPC的协调效率仍然可以达到98.48%,并得到了17.35 kb/s的安全密钥率。     

基于PEG算法的连续变量量子密钥分发多维数据协调

针对连续变量量子密钥分发系统数据协调过程中效率偏低而造成的密钥量不易提取的问题,本文引入PEG(Progressive-edge-growth)算法构造合适度分布的LDPC校验矩阵,译码时采用LLR-BP译码算法。仿真结果表明,相同度分布下PEG方法构造出的校验矩阵比传统Mackay方法构造出的校验矩阵在译码时,能够更快达到收敛,并且在码率为0.5,码长为10~5时,PEG协调方案协调效率达到93.4%,提取到的安全密钥量为5.41 kb/s,信息传输距离为44.5 km。     

利用无噪线性光放大器增加连续变量量子密钥分发最远传输距离

如何提高实际量子密钥分发系统的安全码率和最远传输距离是量子密码学领域重要的研究课题. 本文采用量子无噪线性光放大器放大量子信号, 以改进连续变量量子密钥分发系统实际性能. 经仔细研究, 本文发现增益系数为g的线性无噪放大器可将连续变量量子密钥分发系统的最远安全传输距离提高20 log₁₀(g)/a km (a=0.2 dB/km为光纤信道的损耗系数), 并改善系统的安全码率和噪声抗性. 关键词： 量子密钥分发 连续变量 最远传输距离 线性无噪放大器     

量子高斯密钥分发中后处理的安全性分析

在量子高斯密钥分发实验中,后处理是提升数据协调效率和保证安全密钥提取的关键技术之一。通过分层纠错协议给出一种具体后处理的数据协调方案,并采用准循环低密度奇偶校验码与传统低密度奇偶校验码相级联的方式对信息进行压缩编码。结合零拍探测下的连续变量量子密钥分发,分析了个体攻击和集体攻击下采用正向协调和逆向协调的实验方案中密钥提取的安全性。实验结果表明:在码长为2×10~5,三、四级码率为0.3 0.95的数据协调方案中协调效率可达91.2%。采用最优攻击下可提取安全密钥量为3.98 kbit/s,而传输距离达30 km左右,证明了所提协调方案的安全性,能够满足城域网络的通信要求。     

基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发

在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐,无需借助软件算法实现数据的对齐.本文采用了加拿大滑铁卢大学Norbert Lütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法.该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩,以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率.计算过程中无需假设信道为线性信道,无需额外噪声的估算.密钥分发系统重复频率为10 MHz,传输距离为25 km,平均安全密钥比特率为24 kbit/s.本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步,减小了系统的复杂度和计算量,在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积,有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.     

基于Turbo码的量子高斯密钥分发的数据协调

为了使加密系统中两个合法用户Alice和Bob从量子信道传送的相关的高斯连续变量X和y中获取出密钥,通过一个理想公共授权信道传送部分信息进而从不一致的X和y中得到一致的二进制密钥,这一过程称为协调.本文在样条纠错(Sliced Error Correction,SEC)和多级编码/多路译码(Multi Level coding/Multi Stage Decoding,MLC/MSD)方案的基础上,构建了一套以Turbo纠错码为基础的连续变量量子密钥分发系统的反向数据协调方案.提出了以Turbo码的校验比特流为协调信息的Slepian-Wolf编译码方案.仿真结果表明可在信道信噪比7 dB以上实现20000个连续变量序列的协调.     

基于脉冲位置调制的测量设备无关量子密钥分发（英文）

为了进一步提高测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)系统的传输距离和密钥率,将脉冲位置调制(PPM)技术引入到MDI-QKD中,利用弱光源中的空脉冲和高维编码技术,提出了一种高效的测量设备无关量子密钥分发,即PPM-MDI-QKD协议.协议中,通信双方首先将M个连续的弱脉冲构建成一个PPM帧,然后利用BB84极化编码和PPM编码方案实现高维编码,最后根据合法PPM帧、成功贝尔态测量结果以及匹配基筛选出安全密钥.数值计算结果表明,当光源平均光强小于0.13时,PPM-MDIQKD协议的性能优于MDI-QKD协议;与迄今为止报道的最远404km的MDI-QKD协议相比,在相同条件下,本协议最远传输距离能够达到480km,在404km传输距离上的密钥率可达5.4×10-4 bps.     

连续变量量子密钥分发的数据逆向协调

基于多级编码/多级译码(MLC/MSD)系统实现了连续变量量子密钥分发的逆向数据协调。讨论了高斯连续变量量化过程中使互信息量最大时最佳量化区间的选取,并且通过理论计算给出了信噪比为4dB的情况下各级等价信道的最佳码率。协调方案中选择低密度奇偶校验码(LDPC)作为信道编码,结合边信息译码原理最终通过LDPC迭代译码算法实现了数据的逆向协调。     

基于微弱相干脉冲稳定差分相位量子密钥分发

基于差分相位量子密钥分发协议，对微弱相干光脉冲相位差进行编码，在接收端采用Faraday-Michelson系统进行解码.这种量子密钥分发系统具有密钥生成效率高、接收端干涉稳定性好、极限传输距离长等优点，同时还具有光路结构简单、易于在现有的技术条件下实现等特点，特别适用于远程光纤量子密钥分发.在实验系统中利用嵌入式微处理系统来控制量子密钥分发过程，进行了76 km的稳定光纤量子密钥分发实验，其原始密钥的误码率为5.3%. 关键词： 分相位 量子密钥分发 安全性 稳定性     

偏振稳定控制下的量子密钥分发

由于长距离单模光纤传输中存在的双折射效应会引起偏振随机抖动，光纤中利用偏振编码进行量子密钥分发一直难以实现.利用光子计数分析光纤中的偏振变化情况，并通过反馈控制的方式补偿偏振变化，从而实现了基于BB84协议的偏振编码长时间稳定的量子密钥分发实验，传输距离为100km. 关键词： 量子密钥分发 偏振反馈控制 单光子探测 偏振随机抖动     

基于量子催化的离散调制连续变量量子密钥分发

相比于离散变量量子密钥分发,连续变量量子密钥分发虽然具备更高的安全码率等优势,但是在安全传输距离上却略有不足.尽管量子催化的运用对高斯调制连续变量量子密钥分发协议的性能,尤其在安全传输距离方面有着显著的提升,然而能否用来改善离散调制协议的性能却仍然未知.鉴于上述分析,本文提出了一种基于量子催化的离散调制协议的方案,试图在安全密钥率、安全传输距离和最大可容忍过噪声方面进一步提升协议性能.研究结果表明,在相同参数下,当优化量子催化引入的透射率T,相比于原始四态调制协议,所提方案能够有效地提升量子密钥分发的性能.特别是,对于可容忍过噪声为0.002,量子催化可将安全通信距离突破300 km,密钥率为10^-8bits/pulse,而过大的可容忍噪声会抑制量子催化对协议性能的改善效果.此外,为了彰显量子催化的优势,本文给出了点对点量子通信的最终极限Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi边界,仿真结果表明,虽然原始方案与所提方案都未能突破这种边界,但是相比于前者,后者能够在远距离通信上逼近于这种边界,这为实现全球量子安全通信的最终目标提供理论依据.     

850nm光纤中1.1km量子密钥分发实验

在850nm波长完成了一个全光纤量子密钥分发系统原型.该系统以单光子为信息载体,以光纤为量子信道,在通信双方建立起共享的密钥,从而完成量子密钥的分发,其安全性由量子力学基本原理——不确定性原理和量子不可克隆定理所保证.所采取的信息调制方式为相位调制,通信协议采取BB84协议.通信距离为1.1km,有效数据传送速率为3bit/s,误码率为9%左右     

850nm光纤中1.1km量子密钥分发实验

在850nm波长完成了一个全光纤量子密钥分发系统原型.该系统以单光子为信息载体,以光纤为量子信道,在通信双方建立起共享的密钥,从而完成量子密钥的分发,其安全性由量子力学基本原理——不确定性原理和量子不可克隆定理所保证.所采取的信息调制方式为相位调制,通信协议采取BB84协议.通信距离为1.1km,有效数据传送速率为3bit/s,误码率为9%左右.     

基于非高斯态区分探测的往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案

往返式离散调制连续变量量子密钥分发,无需使用两台独立的激光器也能本地生成本振光,并且信号光与本振光均来自于同一台激光器,在有效保证系统实际安全性的同时,具有较好的同频特性.此外,该方案与高效纠错码具有良好的兼容性,即使在低信噪比情况下也能获得较高的协商效率.然而,基于非可信信源模型的往返式光路结构存在较大的过噪声,严重限制离散调制方案的最大传输距离.针对这个问题,本文提出基于非高斯态区分探测的往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案,即在探测端部署非高斯态区分探测器,采用自适应测量方法并结合贝叶斯推论,可以在满足低于标准量子极限错误概率的情况下无条件区分出基于四态离散调制的四种非正交相干态.本文详细分析了所提出的基于非高斯态区分探测的往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案的安全性,包括渐近情况与有限长效应情况.仿真结果表明所提出的方案相比于原始方案,即使在有信源噪声的情况下,其密钥率与最大传输距离仍然有明显的提升.这些结果表明本方案能够有效降低往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案中非可信信源噪声对方案性能的负面影响,在保证系统实际安全性的同时,实现更高效、更远传输距离的量子密钥分发.     

光纤色散与损耗对光量子密钥分发系统的影响

运用量子薛定谔方程，通过计算传输光场干涉强度和分析量子密钥分发系统的误码率，研究了光纤色散和损耗对量子密钥分发系统误码率的影响.研究表明，在目前的基于光纤的量子密钥分发系统中，选择色散位移光纤并以损耗最小波长1.55 μm为工作波长，同时缩短脉冲宽度，可以有效提高量子密钥系统的传输距离. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 光纤色散 光纤损耗     

大气湍流下的轨道角动量编码测量设备无关量子密钥分发

基于Kolmogorov及非Kolmogorov湍流模型,分析了大气湍流对光子轨道角动量(OAM)的散射效应,得到了探测端不同OAM模式的概率。分析了两种湍流条件下OAM编码测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的密钥生成率与最大传输距离。仿真结果表明,当光束在大气信道传输时,光束的径向强度逐渐增大,湍流对光子OAM的散射效应逐渐增强,初始OAM发散为相邻OAM模式并趋于无规则分布,探测端测得初始OAM模式的概率不断减小。大气湍流下OAM编码MDI-QKD的最大传输距离比偏振编码MDI-QKD的长约10km。