基于参量下转换光源的被动测量设备无关量子密钥分配

量子密钥分配过程中制备诱骗态信号易引入一些边信息(频率、脉冲宽度等),窃听者可利用这些信息来分辨信号态和诱骗态。因此,提出了基于参量下转换光源和被动诱骗态方案的测量设备无关量子密钥分配协议,分析了其密钥生成率、单光子计数率以及单光子误码率与安全传输距离的关系。仿真结果表明,基于参量下转换光源的被动测量设备无关量子密钥分配协议的密钥安全传输距离达到285 km,远高于基于改造后可输出两路相关信号的弱相干光源的被动测量设备无关量子密钥分配协议,十分接近基于主动诱骗态的测量设备无关量子密钥分配协议,且克服了主动诱骗态方案可能引入边信息的缺点。     

基于奇相干光源非对称信道的量子密钥分配协议

针对传统量子密钥分配协议使用非理想单光子源会带来密钥生成率过低的问题,对光源进行优化,以奇相干光源代替传统弱相干光源,提出了基于奇相干光源非对称信道的测量设备无关量子密钥分配协议。在奇相干光源下,对比了对称信道和非对称信道测量设备无关量子密钥分配协议的性能优劣。分析了该协议中密钥生成率、单边效率与信道损耗之间的关系。仿真结果表明,奇相干光源的引入弥补了传统光源的不足,多光子数大大减少。随着信道损耗的增加,密钥生成率降低,但非对称信道的性能仍高于对称信道的。     

基于相干叠加态的非正交编码诱骗态量子密钥分发

非正交编码协议和诱骗态方法可以有效地抵御光子数分离攻击. 由于相干叠加态中单光子成分高达90%, 常作为单光子量子比特的替代出现, 用于量子信息过程处理和计算. 本文结合非正交编码协议和诱骗态方法提出一种新的量子密钥分发方案, 光源采用相干叠加态, 推导了单光子的密钥生成速率、计数率下限和误码率的上限, 利用Matlab 模拟了无限多诱骗态情况下和有限多诱骗态情况下密钥生成速率和传输距离的关系, 得出该方案可以提升密钥生成速率并且提高安全传输距离, 验证了该方案可以进一步提高量子密钥分发系统的性能.     

基于旋转不变态的测量设备无关量子密钥分配协议研究

本文提出了一种基于旋转不变态的偏振无关测量设备量子密钥分配协议,既适用于偏振编码测量设备无关量子密钥分配系统,也应用于相位编码测量设备无关量子密钥分配系统的相干过程.通过在线偏振基进入信道传输前嵌入2块q玻片,使得在传输过程中将线偏振基转化为旋转不变的圆偏振基,而第三方对接收到的脉冲进行Bell态测量前,利用q玻片的算符可逆性,将圆偏振基还原为线偏振基进行测量,可以有效消除信道传输中偏振旋转导致的误码.本文分析了偏振无关的三诱骗态测量设备无关量子密钥分配系统的误码率,研究了密钥生成率与安全传输距离的关系,仿真结果表明,对于偏振编码测量设备无关量子密钥分配系统,该协议可以有效提高系统的最大安全通信距离,为实用的量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

基于标记配对相干态和轨道角动量的量子密钥分配

针对标记配对相干态(HPCS)下量子密钥分配协议采用极化编码和相位编码带来基的依赖性问题,研究了基于HPCS和轨道角动量(OAM)的非对称信道测量设备无关的量子密钥分配协议。分析了该协议在不同距离比率下的平均光子数、误码率、密钥生成率与信道传输损耗的关系。在HPCS和OAM下,对比了对称信道和非对称信道测量设备无关的量子密钥协议的性能优劣。仿真结果表明:采用HPCS弥补了弱相干光源和标记单光子源的不足,大大减少真空脉冲并增加了单光子脉冲;随着信道传输损耗的增大,密钥生成率和安全传输距离逐渐减小,但非对称信道的性能仍优于对称信道的。     

非对称信道传输效率的测量设备无关量子密钥分配研究

测量设备无关量子密钥分配方案可以移除所有的探测器侧信道漏洞,通过结合诱骗态方案可以生成无条件安全的密钥.本文研究了非对称信道传输效率下三强度诱骗态测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率与信道传输损耗的关系,比较了对称信道传输效率和非对称信道传输效率下的距离比率对单边传输效率、单光子误码率和量子密钥生成率的影响,仿真结果表明随着信道不匹配度逐渐增加,可容忍信道传输损耗由对称信道情形下的62 dB分别降至38 dB(距离比率为0.5)和17 dB(距离比率为0.1),能够安全提取密钥的可容忍传输损耗下降较快,密钥生成率的安全传输距离也随之降低.实验中可以采取调节信号光强度的方式提高非对称传输效率下测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率,为实用的量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

基于标记配对相干态光源的诱骗态量子密钥分配性能分析

从有效性、稳定性和可行性三个方面, 对基于标记配对相干态光源的诱骗态量子密钥分配的性能进行了全面分析. 采用四组实验数据对基于标记配对相干态光源的三强度诱骗态方案的密钥生成效率、量子比特误码率和最优信号态强度与安全传输距离之间的关系进行了仿真和分析; 考虑到光源涨落, 对方案的稳定性进行了讨论和仿真; 并对基于标记配对相干态光源设计简单易实现方案的可行性进行了分析. 结论表明: 基于标记配对相干态光源的诱骗态方案性能在安全传输距离和密钥生成效率两方面都优于现有基于弱相干态光源和预报单光子源的诱骗态方案; 在光源强度涨落相同条件下, 标记配对相干态光源的稳定性逊于预报单光子源, 而优于相干态光源. 但是标记配对相干态光源在有效性上的优势可弥补其在稳定性上的不足; 且标记配对相干态光源的双模特性为设计简单易实现的被动诱骗态方案提供了条件. 关键词： 量子光学 量子密钥分配 标记配对相干态光源 性能     

基于标记配对相干态的量子密钥分配协议的统计涨落分析

为了更加全面分析测量设备无关量子密钥分配协议,对基于标记配对相干态的测量设备无关量子密钥分配协议进行了统计涨落分析。首先分析了当光源在统计涨落时,随着发送信号脉冲数的增加,误码率和密钥生成率与传输距离的关系。结果表明,增加脉冲数能增大密钥生成率和最大传输距离,降低误码率,且基于标记配对相干态的协议性能比基于指示单光子源的协议性能要好。进一步分析了光源在统计涨落时,基于标记配对相干态的测量设备无关量子密钥分配协议在非对称信道中的密钥生成率与传输距离的关系,由仿真结果得知,非对称信道时的性能比对称信道时的性能好。     

基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配研究

针对量子中继器短时间内难以应用于长距离量子密钥分配系统的问题, 提出了基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配协议, 分析了其密钥生成率与存储效率、信道传输效率和安全传输距离等参数间的关系, 研究了该协议中量子存储单元的退相干效应对最终密钥生成率的影响, 比较了经典测量设备无关量子密钥分配协议和基于量子存储的测量设备无关量子密钥分配协议的密钥生成率与安全传输距离的关系. 仿真结果表明, 添加量子存储单元后, 协议的安全传输距离由无量子存储的216 km增加至500 km, 且量子存储退相干效应带来的误码对最终的密钥生成率影响较小. 实验中可以采取调节信号光强度的方式提高测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率, 为实用量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

基于弱相干态光源的非正交编码被动诱骗态量子密钥分配

基于改造的弱相干态光源,提出了一种非正交编码被动诱骗态量子密钥分配方案.该方案不主动制备诱骗态,而是根据发送端探测器是否响应,将接收端的探测结果分为响应集合和未响应集合,以此分别作为信号态和诱骗态,并利用这两个集合来估计参量和生成密钥.数值仿真表明,非正交编码被动诱骗态方案的密钥生成效率和安全传输距离都优于现有的被动诱骗态方案,且性能非常接近主动无穷诱骗态方案的理论极限值;未响应集合对密钥生成的参与使方案性能免受发送端探测效率的影响,弥补了实际探测器探测效率低下的缺陷;由于不需要主动制备诱骗态,该方案实现非常简单,适用于高速量子密钥分配的场合. 关键词： 量子光学 量子密钥分配 被动诱骗态 密钥生成效率     

Measurement-device-independent quantum key distribution with hyper-encoding

Measurement device-independent quantum key distribution(MDI-QKD) protocols are immune to all possible attacks on the photon detectors during quantum communication, but their key generation rates are low compared with those of other QKD schemes.Increasing each individual photon's channel capacity is an efficient way to increase the key generation rate, and high-dimensional(HD) encoding is a powerful tool for increasing the channel capacity of photons. In this paper, we propose an HD MDI-QKD protocol with qudits hyper-encoded in spatial mode and polarization degrees of freedom(DOFs). In the proposed protocol, keys can be generated using the spatial mode and polarization DOFs simultaneously. The proposed protocol is unconditionally secure,even for weak coherent pulses with decoy states. The proposed MDI-QKD protocol may be useful for future quantum secure communication applications.     

Decoy State Quantum Key Distribution with Odd Coherent State

We propose a decoy state quantum key distribution scheme with odd coherent state which follows sub-Poissonian distributed photon count and has low probability of the multi-photon event and vacuum event in each pulse. The numerical calculations show that our scheme can improve efficiently the key generation rate and secure communication distance. Fhrthermore, only one decoy state is necessary to approach to the perfect asymptotic limit with infinite decoy states in our scheme, but at least two decoy states are needed in other scheme.     

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.     

The Decoy-State Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution with Heralded Single-Photon Source

Based on heralded single-photon source (HSPS), a decoy-state measurement-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD) protocol is proposed in this paper. The MDI-QKD protocol mainly uses orbital angular momentum (OAM) states and pulse position modulation (PPM) technology to realize the coding of the signal states in heralded single-photon source. The three-intensity decoy states are used to avoid the attacks against the light source. Moreover, the formula of key generation rate is given by computing the lower bound of the yield of single-photon pairs and the upper bound of the error rate of single-photon pairs. Numerical simulation shows that the new MDI-QKD protocol has high key generation rate and low error rate. Moreover, the secure communication distance can be up to 450 km.

     

Measurement-device-independent quantum key distribution of multiple degrees of freedom of a single photon

Measurement-device-independent quantum key distribution(MDI-QKD)provides us a powerful approach to resist all attacks at detection side.Besides the unconditional security,people also seek for high key generation rate,but MDI-QKD has relatively low key generation rate.In this paper,we provide an efficient approach to increase the key generation rate of MDI-QKD by adopting multiple degrees of freedom(DOFs)of single photons to generate keys.Compared with other high-dimension MDI-QKD protocols encoding in one DOF,our protocol is more flexible,for our protocol generating keys in independent subsystems and the detection failure or error in a DOF not affecting the information encoding in other DOFs.Based on above features,our MDI-QKD protocol may have potential application in future quantum comniunication field.     

基于弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的误码率分析

测量设备无关量子密钥分发系统可以免疫任何针对探测器边信道的攻击, 并进一步结合诱惑态方法规避了准单光子源引入的实际安全性问题. 目前实验中一般采用弱相干光源, 但是该光源含有一定比例的空脉冲和多光子脉冲. 本文针对弱相干光源的具体特性, 采用量子力学的描述, 将各个器件进行量子化处理, 并同时考虑探测器的具体性能参数的影响, 分别给出了通信双方各自发送的脉冲含有特定光子数时产生的成功贝尔态和错误贝尔态的概率公式, 从理论上对相位编码和偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统的误码率进行了定量分析, 分别推导并模拟了通信双方采用的平均光子数对称和不对称时误码率随传输距离的变化情况, 结果表明在偏振编码Z基中, 多光子脉冲不会引起误码; 在偏振编码X基和相位编码中, 受多光子影响, 产生的误码率较大. 对于不同的编码方式, 误码率均随传输距离的增加有不同程度的升高, 长距离传输时, 平均光子数越小, 产生的误码率越大; 在偏振编码X基和相位编码的短距离传输中, 相对于对称, 通信双方采用的平均光子数不对称时产生的误码率较大.     

一种K分布强湍流下的测量设备无关量子密钥分发方案

研究了K分布强湍流下自由空间测量设备无关量子密钥分发协议模型,采用阈值后选择方法来减少大气湍流对密钥生成率的影响,对比分析了使用阈值后选择方法前后协议的密钥率和湍流强度之间的关系.仿真结果表明,使用阈值后选择方法可以有效地提高协议的密钥生成率,尤其是在高损耗和强湍流区域,而且其最佳阈值与湍流强度、信道平均损耗有关,对实际搭建性能较好的自由空间测量设备无关量子密钥分发协议系统具有一定的参考价值.     

Experimental quantum key distribution with decoy states

To increase dramatically the distance and the secure key generation rate of quantum key distribution (QKD), the idea of quantum decoys--signals of different intensities--has recently been proposed. Here, we present the first experimental implementation of decoy state QKD. By making simple modifications to a commercial quantum key distribution system, we show that a secure key generation rate of 165 bit/s, which is 1/4 of the theoretical limit, can be obtained over 15 km of a telecommunication fiber. We also show that with the same experimental parameters, not even a single bit of secure key can be extracted with a non-decoy-state protocol. Compared to building single photon sources, decoy state QKD is a much simpler method for increasing the distance and key generation rate of unconditionally secure QKD.