光学总论 量子光学

O431.22006010001基于六光子量子避错码的量子密钥分发方案=Quantumkey distribution based on six-photon quantum error-avoi-ding code[刊,中]/刘文予(华中科技大学电子与信息工程系.湖北,武汉(430074)),李宁…∥光学学报.—2005,25(11).—1568-1572将量子避错码思想用于量子密钥分发,能有效克服信道中的噪声,且无需复杂的系统。用六光子构造了量子避错码,提出了一种基于六光子避错码的量子密钥分发(QDK)方案。以提高量子密钥分发的量子比特效率和完全性为前提,对六光子避错码的所有可能态进行组合,得到一种六光子避错码的最优组合方法…     

量子保密通信的技术现状及安全性

理论上，量子密钥分发可以带来绝对安全的保密通信．但是真实系统的量子密钥分发的安全性需要进一步证明．现有的基于弱相干态的量子密码实验在光子数分离攻击下是完全不安全的．诱骗信号方案（decoy-state method）及纠缠对分发方案可以实现基于现有技术的、真实系统的绝对安全量子密钥分发．     

基于信道估计的自适应连续变量量子密钥分发方法

为使连续变量量子密钥分发协议获得稳定的密钥生成率,需要根据信道变化动态调整发送光脉冲的强度.将光纤量子信道看作加性玻色量子高斯信道,给出高斯态通过玻色量子高斯信道仍得到高斯态的证明过程.通过平衡零差检测后,采用最大似然估计法得到了信道参数,进而根据估计的噪声大小自适应调整Alice发送的光脉冲的强度,从而获得稳定的密钥生成率. 关键词： 量子密钥分发 连续变量 玻色量子高斯信道 信道估计     

量子密钥分发与量子安全直接通信

量子通信具有高安全性等优点,是当前的国际研究前沿,量子安全直接通信和量子密钥分发是两种重要的量子信息方式.量子密钥分发通过量子信道产生随机的密钥,而量子安全直接通信直接在量子信道中传输秘密信息.本文力图利用浅显易懂的语言介绍量子安全直接通信和量子密钥分发的基本原理;重点描述几个典型的量子安全直接通信方案,介绍目前的发展状态并展望未来.     

基于量子隐形传态的量子保密通信方案

量子保密通信包括量子密钥分发、量子安全直接通信和量子秘密共享等主要形式.在量子密钥分发和秘密共享中,传输的是随机数而不是信息,要再经过一次经典通信才能完成信息的传输.在量子信道直接传输信息的量子通信形式是量子安全直接通信.基于量子隐形传态的量子通信(简称量子隐形传态通信)是否属于量子安全直接通信尚需解释.构造了一个量子隐形传态通信方案,给出了具体的操作步骤.与一般的量子隐形传态不同,量子隐形传态通信所传输的量子态是计算基矢态,大大简化了贝尔基测量和单粒子操作.分析结果表明,量子隐形传态通信等价于包含了全用型量子密钥分发和经典通信的复合过程,不是量子安全直接通信,其传输受到中间介质和距离的影响,所以不比量子密钥分发更有优势.将该方案与量子密钥分发、量子安全直接通信和经典一次性便笺密码方案进行对比,通过几个通信参数的比较给出各个方案的特点,还特别讨论了各方案在空间量子通信方面的特点.     

基于轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发

提出了一种基于标记配对相干态(HPCS)和轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发(RRDPS-QKD)方案,以光子轨道角动量作为信息载体,使用多种不同拓扑荷的轨道角动量的叠加态进行RRDPS-QKD的信息编码,显著提高了密钥生成率。使用HPCS作为量子光源,有效减小了空脉冲和多光子脉冲的比例,提高了密钥生成率。分析了光源在湍流大气信道中的传输特性,考虑了信道衰减和大气湍流对系统性能的影响。     

多输入多输出量子密钥分发信道容量研究

量子安全通信是一个量子密钥分发过程,目前采用的通信技术严重制约了量子密钥分发的比特率.将多输入多输出（MIMO）技术应用于量子密钥分发系统,可提高量子密钥分发的比特率,促进量子安全通信向高速大容量发展.文中首先构造出MIMO量子密钥分发信道中多光子纠缠态Wigner算符矩阵.并在此基础上,推导出多光子双模压缩纠缠态Wigner算符矩阵和MIMO量子密钥分发信道容量.为开发稳健的MIMO量子安全通信空时处理算法和优化设计高性能MIMO量子密钥分发系统提供理论支撑和技术基础. 关键词： 多输入多输出 双模压缩态 多光子纠缠态 信道容量     

基于稳定子码的在噪声信道的量子安全直接通信方案研究

量子安全直接通信是继量子密钥分配后,量子通信领域又一重要的研究领域,它要求通信双方在预先不需要建立共享密钥的情况下就可以实现消息的保密传输。不同于属于非确定通信的量子密钥分配,量子直接通信受信道噪声的影响更大,需要更好的检错纠错能力。本文根据稳定子码纠错理论和GHZ三态纠缠粒子的特性提出了一套基于稳定子码理论的量子直接通信方案,使其在保持无条件安全性的基础上可以对单量子的相位和比特错误进行纠错检错,大大降低了信道的整个通信过程的量子比特错误率。     

基于双模压缩态的量子密钥分发方案

提出了一种基于双模压缩态的量子密钥分发方案，采用Shannon信息论分析了该协议抵抗光束分离攻击的能力，得到秘密信息速率与压缩因子、信道参数之间的解析表达式，双模压缩态的模间关联性保证了该方案的安全性.     

基于高维两粒子纠缠态的超密编码方案

基于通信双方预先共享d维二粒子最大纠缠态非定域相关性,信息发送方Bob只需要向信息接收者Alice传送一个粒子,就可以传送logd22比特经典信息,为保护信息的安全,方案采用诱骗光子技术,安全性等价于改进后的原始量子密钥分配方案（Bennett-Brassard 1984,BB84）.本文讨论了基于高维纯纠缠态超密编码方案.即通过引入一个附加量子比特,信息接收方对手中的纠缠粒子和附加粒子在执行相应的幺正演化,可以获取dαk2logd2+logd2（αk=minαj,j∈0,L,d－1）比特经典信息.通信双方采用诱骗光子技术确保量子信道的安全建立.与其他方案相比,该方案具有通信效率较高、实用性较强的优点.     

Quantum Key Distribution Using High-Dimensional Quantum Error-Avoiding Code

Using high-dimensional quantum error-avoiding code, we present two new quantum key distribution protocols over a collective noisy channel, i.e. six-photon and five-photon quantum error-avoiding codes. Compared with the previous protocols using four-photon and three-photon quantum error-avoiding code, the qubit efficiencies of the new protocols have increases of 16.67% and 5% respectively. In addition, the security of these protocols is analysed with a conclusion that the new protocols are much more secure than the four-photon and three-photon ones.     

基于随机相位编码的确定性量子密钥分配

提出一种新的随机相位编码的确定性量子密钥分配(QKD)方案.在该方案中，通信双方不需要公布测量基，就可以共享秘密信息，提高了密钥生成效率.因为传输的量子比特是随机编码的，即便光源非严格为单光子，该方案仍旧是安全的.理论分析显示出，对于光子数分裂攻击，中间人攻击和特洛伊木马等攻击手段，本方案比之前的QKD方案具有更强的安全性.     

基于二进制均匀调制相干态的量子密钥分发方案

提出了一种基于二进制均匀调制相干态的量子密钥分发方案. 相对于高斯调制相干态量子密钥分发方案中的高斯信源,二进制信源是最简单的信源,二进制调制是目前数字光纤通信中最普遍的调制方式,技术上容易实现. 采用Shannon信息论分析了该协议抵抗光束分离攻击的能力,得到秘密信息速率与调制参数、解调参数以及信道参数之间的解析表达式. 关键词： 量子密钥分发 二进制调制 光束分离攻击     

量子直接通信

量子直接通信是量子通信中的一个重要分支, 它是一种不需要事先建立密钥而直接传输机密信息的新型通信模式. 本综述将介绍量子直接通信的基本原理, 回顾量子直接通信的发展历程, 从最早的高效量子直接通信协议、两步量子直接通信模型、量子一次一密直接通信模型等, 到抗噪声的量子直接通信模型以及基于单光子多自由度量子态及超纠缠态的量子直接通信模型, 最后介绍量子直接通信的研究现状并展望其发展未来.     

Effect of excess noise on continuous variable entanglement sudden death and Gaussian quantum discord

A symmetric two-mode Gaussian entangled state is used to investigate the effect of excess noise on entanglement sudden death and Gaussian quantum discord with continuous variables. The results show that the excess noise in the channel can lead to entanglement sudden death of a symmetric two-mode Gaussian entangled state, while Gaussian quantum discord never vanishes. As a practical application, the security of a quantum key distribution （QKD） scheme based on a symmetric two-mode Gaussian entangled state against collective Gaussian attacks is analyzed. The calculation results show that the secret key cannot be distilled when entanglement vanishes and only quantum discord exists in such a QKD scheme.     

Quantum Hacking on an Integrated Continuous-Variable Quantum Key Distribution System via Power Analysis

In quantum key distribution (QKD), there are some security loopholes opened by the gaps between the theoretical model and the practical system, and they may be exploited by eavesdroppers (Eve) to obtain secret key information without being detected. This is an effective quantum hacking strategy that seriously threatens the security of practical QKD systems. In this paper, we propose a new quantum hacking attack on an integrated silicon photonic continuous-variable quantum key distribution (CVQKD) system, which is known as a power analysis attack. This attack can be implemented by analyzing the power originating from the integrated electrical control circuit in state preparation with the help of machine learning, where the state preparation is assumed to be perfect in initial security proofs. Specifically, we describe a possible power model and show a complete attack based on a support vector regression (SVR) algorithm. The simulation results show that the secret key information decreases with the increase of the accuracy of the attack, especially in a situation with less excess noise. In particular, Eve does not have to intrude into the transmitter chip (Alice), and may perform a similar attack in practical chip-based discrete-variable quantum key distribution (DVQKD) systems. To resist this attack, the electrical control circuit should be improved to randomize the corresponding power. In addition, the power can be reduced by utilizing the dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technology.     

量子BB84协议在联合旋转噪音信道上的安全性分析

多数在理想条件下设计的量子密码协议没有考虑实际通信中噪音的影响,可能造成机密信息不能被准确传输,或可能存在窃听隐藏在噪音中的风险,因此分析噪音条件下量子密码协议的安全性具有重要的意义.为了分析量子BB84协议在联合旋转噪音信道上的安全性,本文采用粒子偏转模型,对量子信道中的联合噪音进行建模,定量地区分量子信道中噪音和窃听干扰;并且采用冯·诺依曼熵理论建立窃听者能窃取的信息量与量子比特误码率、噪音水平三者之间的函数关系,定量地分析噪音条件下量子信道的安全性;最后根据联合噪音模型及窃听者能窃取的信息量与量子比特误码率、噪音水平三者之间的关系,定量地分析了量子BB84协议在联合噪音条件下的安全性并计算噪音临界点.通过分析可知,在已有噪音水平条件下,窃听者最多能够从通信双方窃取25%的密钥,但是Eve的窃听行为会被检测出来,这样Alice和Bob会放弃当前协商的密钥,重新进行密钥协商,直至确认没有Eve的窃听为止.这个结果说明量子BB84协议在联合旋转噪音信道下的通信是安全的.     

Measurement-device-independent quantum key distribution

How to remove detector side channel attacks has been a notoriously hard problem in quantum cryptography. Here, we propose a simple solution to this problem--measurement-device-independent quantum key distribution (QKD). It not only removes all detector side channels, but also doubles the secure distance with conventional lasers. Our proposal can be implemented with standard optical components with low detection efficiency and highly lossy channels. In contrast to the previous solution of full device independent QKD, the realization of our idea does not require detectors of near unity detection efficiency in combination with a qubit amplifier (based on teleportation) or a quantum nondemolition measurement of the number of photons in a pulse. Furthermore, its key generation rate is many orders of magnitude higher than that based on full device independent QKD. The results show that long-distance quantum cryptography over say 200 km will remain secure even with seriously flawed detectors.     

Quantum cryptography using partially entangled states

We show that non-maximally entangled states can be used to build a quantum key distribution (QKD) scheme where the key is probabilistically teleported from Alice to Bob. This probabilistic aspect of the protocol ensures the security of the key without the need of non-orthogonal states to encode it, in contrast to other QKD schemes. Also, the security and key transmission rate of the present protocol is nearly equivalent to those of standard QKD schemes and these aspects can be controlled by properly harnessing the new free parameter in the present proposal, namely, the degree of partial entanglement. Furthermore, we discuss how to build a controlled QKD scheme, also based on partially entangled states, where a third party can decide whether or not Alice and Bob are allowed to share a key.     

预报单光子源诱骗态量子密钥产生率及数值计算

独立推导预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率计算公式,讨论密钥产生率和发送端探测效率的关系;进行弱相干光和预报单光子源诱骗态量子密钥分发的最优强度估计和密钥产生率数值计算.结果表明,预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率随着发送端探测效率的增加而增加,其安全通信距离与完美单光子源的通信距离一致;诱骗态量子密钥分发可提高安全通信距离和密钥产生率;预报单光子源由于减少了暗计数的影响,进一步提高了安全通信距离.