空间信道离散调制连续变量量子密钥分发可行性分析

在光纤信道中,连续变量量子密钥分发(continuous-variable quantum key distribution, CV-QKD)协议已经展现出获得更高安全码率的能力,但是CV-QKD协议可容忍的信道衰减相对较低,空间衍射、大气折射、信号衰减和湍流等实际因素都会影响空间信道中CV-QKD协议的可行性.本文研究了实际空间信道环境下离散调制CV-QKD协议的可行性,分析了空间衍射和大气衰减、湍流信道退化模型对于空间信道离散调制CV-QKD协议的影响,讨论了卫星轨道高度、天顶角、接收器孔径、束腰尺寸和过量噪声等实际参数对空间离散调制CVQKD的密钥生成率影响,搭建了星地动态运动场景仿真分析了实际环境下空间信道离散调制CV-QKD协议的可行性,仿真结果可为空间信道离散调制CV-QKD实验的设计和优化提供参考.     

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^–8 bits/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.     

基于峰值补偿的连续变量量子密钥分发方案

在实际的连续变量量子密钥分发系统中,接收端模数转换器的有限采样带宽会导致脉冲峰值采样结果不准确,从而使参数估计过程产生误差,给窃听者留下了安全性漏洞.针对这个问题,本文提出一种基于峰值补偿的连续变量量子密钥分发方案,利用高斯脉冲的基本特性来估计每个脉冲的最大采样值与脉冲峰值之间的偏差,从而对该采样值进行峰值补偿,使系统...     

连续变量量子密钥分发系统同步方案及实现

同步技术是连续变量量子密钥分发系统的核心技术之一,能实现通信双方的实时通信,确保量子信息的有效提取。本文提出了一种新型的同步方案,能有效克服量子信道噪声及误码的影响,实现发送端和接收端的准确同步。文章从理论上介绍了方案的同步机制,并对其性能进行了仿真分析。     

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。     

高速连续变量量子密钥分发系统同步技术研究

在高速连续变量量子密钥分发系统中,位帧同步技术是确保准确获取量子信号所携带有效信息的核心技术之一。结合平衡零差探测器测量相干态的正则分量数据,提出了一种简单高效的位帧同步理论方案。基于此理论方案,在重复频率为25MHz的高斯调制相干态连续变量量子密钥分发系统上进行了实验测试和性能分析。结果表明,所提出的位帧同步方案能有效克服量子信号在密钥分发中受到的环境因素影响,有效实现通信双方同步。     

离散调制连续变量量子密钥分发的安全边界

对一种结合离散调制和反向协调,适用于长距离传输的连续变量量子密钥分发四态协议的安全性进行了严格证明.这种协议中Alice发送的态与高斯调制协议中的有一定差异,这种差异可以等价成信道衰减和额外噪声.另外,由于Alice不可能做到精确调制,这会导致其发送的相干态中含有噪声.把这种调制引起的噪声看作光源的噪声,并推导出了在光源噪声不能被窃听者所利用的条件下的安全码率的下界.为了避免实验上快速、随机的控制本地振荡光的相位,还将无开关协议和四态协议相结合,分析了其安全性.     

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.     

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.     

时域脉冲平衡零拍探测器的高精度自动平衡

时域脉冲平衡零拍探测器能够直接对光场量子态的正交分量进行测量, 是连续变量量子密钥分发系统的核心测量器件, 其测量精度与密钥分发系统的额外噪声及安全密钥速率密切相关. 本文理论分析了探测器双臂不平衡对测量精度的影响, 实验设计并研制了双臂可精确自动平衡的时域脉冲平衡零拍探测器. 通过高精度控制探测器一臂的光纤圆环曲率半径, 实现了光纤内部光场强度的精密衰减, 进而获得了探测器的精确自动平衡. 实验测试结果表明时域平衡零拍探测器双臂具有10^-5以上的平衡精度, 能够长时间稳定运行, 有效避免了探测器的输出电压进入非线性区或饱和区. 该探测装置可应用于连续变量量子密钥分发系统, 有效降低由于量子态信号探测过程引入的额外噪声, 提高系统的长期稳定性.     

平衡零拍测量对连续变量量子密钥分配的影响

与单光子量子密钥分配采用单光子探测器不同,连续变量量子密钥分配采用平衡零拍测量技术.分析了由于参考光的真空噪声、分束器的透射率和反射率不相等引入的平衡零拍测量误差,以及平衡零拍测量探测器的电子噪声对连续变量量子密钥传输的最大安全距离的限制,给出了平衡零拍测量的探测噪声、电子噪声和密钥量之间的定量表达式.     

连续变量量子密码术

文章综述了连续变量量子密码术的基本原理，突出了其在光源制备、光子探测以及量子密钥生成的码率等办面相对于单光子量子密码术的优越性，给出了连续变量量子密码术的安全性以及对线路噪声的具体要求，提出了连续变量量子密码术目前所面临的主要困难和今后的发展前景。