长距离长期稳定的量子密钥分发系统

介绍了最近完成的长距离长期稳定的量子密钥分发系统.该系统利用往返光路补偿光纤偏振 抖动和相位漂移的原理,采用结电容平衡魔T网络耦合的单光子探测技术,在506km单模 光纤中实现了长时间（大于12h）稳定的量子密钥分发实验.单脉冲平均光子数为007, 误码率为4%,其中单光子探测器的探测效率大于5%,单脉冲暗计数低于29×10^{-6. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 单光子探测}     

基于光纤的量子密钥分配系统研究和协议仿真

研究了适合光纤传输的量子密钥分配系统和量子密钥分配协议.通过研究适合光纤传输的量子信号的编码和解码,研究了基于光纤的量子密钥分配系统与协议,给出相位调制量子密钥系统的光路图;在计算机上编制相应的程序,验证了相位调制的量子密钥分配协议的分配过程,并就窃听对量子误码率的影响进行了分析.结果表明,仿真结果与理论分析完全一致.     

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.     

1.55 μm升频单光子探测量子密钥分配系统的性能研究

分析了1.55 μm升频单光子探测量子密钥分配(QKD)系统的性能,讨论了升频单光子探测器的主要参数：量子效率和暗计数与抽运功率的关系.比较了BB84协议、BBM92协议和DPSK协议的光纤QKD系统的性能：安全通信速率与距离的关系,通过比较得出升频探测器优于传统的InGaAs/InP雪崩二极管单光子探测器,用升频探测器后的通信距离能比传统的大两倍以上,能很好改善量子通信系统的性能. 关键词： 量子效率 通信速率 暗计数     

基于交换节点的量子密钥分配网络结构的实验研究(英文)

针对量子网络在运行过程中存在着灵活性差、耗材多、升级困难等缺点,本文提出一种基于交换节点的更加灵活、节能、高效的新型量子密钥分配网络结构,即利用环形器和粗波分复用技术,将交换节点和量子/经典光信号收发节点结合,组成星型量子网络.该网络将量子信号、同步信号和经典光信号融合到一根光纤中传输,节省了大量的光纤资源;如果需要增加用户只需更改交换节点内部的结构即可,升级灵活.本文在这个结构的基础上进行了一系列实验研究,证明了此结构对量子密钥分配的误码率和密码产生速率影响很小,且三种信号之间的干扰基本不影响量子网络的通信效果,在优化之后可以用于量子城域网中.     

星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值

 实际星地光通信系统的发射光束为高斯型的情况下,跟瞄误差和大气闪烁是星地激光链路中的主要信道噪声源。在结合两者对系统性能影响的前提下,对星地激光通信链路进行了理论分析和模型建立。基于该模型对星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差之比的优化选择问题进行了研究。结果表明：对于上行链路,在不同误码率需求下都存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值,使得上行链路余量最大;对于下行链路,在不同误码率要求下均存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值,使得下行发射光功率的需求最小。利用最优化方法和最小二乘法拟合,得到星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值和系统误码率的经验公式。     

一种集成QKD服务的GPON网络架构(英文)

提出一种安全增强的集成量子密钥分配业务的吉比特无源光网络架构.使用特殊光分支器件和以现场可编程门阵列芯片控制的光网络单元动态绑定实现的上行交替时分多址接入的方式,使得量子信道的噪声在可接受范围,从而让量子密钥加密和传统业务能够共存.实验表明在传统业务正常运行的情况下,超过20km光纤传输距离的安全量子比特误码率限制下的平均安全密钥速率达到2.12kbps.该网络架构易于扩展,且比现行无源光网络有更好的安全性.     

基于单光子计数反馈的低噪声光纤信道波分复用实时偏振补偿系统

光纤信道由于受环境影响产生的随机双折射等物理效应使得在其中传输的光信号具有敏感的偏振变化,严重影响了偏振编码量子密钥分发系统的性能.本文提出了一种利用单光子计数作为反馈信号的低噪声光纤信道波分复用实时偏振补偿系统,该系统通过探测共轭参考光的光子计数得到光纤信道偏振变化信息,设计补偿算法控制电动偏振控制器实时校准对应偏振基下量子信号光的偏振态,成功实现了稳定的光纤信道偏振补偿.为验证补偿系统的有效性,进行了传输距离为25.2 km的基于BB84协议的量子密钥分发测试,在实验室环境和模拟城域网地埋光纤环境下得到了长达8 h的稳定测试结果,平均量子比特误码率分别为0.52%和1.25%.该实验结果表明本系统可在城域网地埋光纤环境下保障偏振编码量子密钥分发的稳定工作.     

基于量子远程通信的连续变量量子确定性密钥分配协议

基于量子远程通信的原理, 本文借助双模压缩真空态和相干态, 提出一种连续变量量子确定性密钥分配协议. 在利用零差探测法的情况下协议的传输效率达到了100%. 从信息论的角度分析了协议的安全性, 结果表明该协议可以安全传送预先确定的密钥. 在密钥管理中, 量子确定性密钥分配协议具有量子随机性密钥分配协议不可替代的重要地位和作用. 与离散变量量子确定性密钥分配协议相比, 该协议分发密钥的速率和效率更高, 又协议中用到的连续变量量子态易于产生和操控、适于远距离传输, 因此该协议更具有实际意义.     

面向CVQKD量子-经典信号共纤传输技术研究

量子-经典信号共纤传输技术对实用化量子保密通信网络建设具有重要意义。针对经典光在光纤信道中的拉曼散射（RS）、四波混频（FWM）以及交叉相位调制（XPM）等非线性效应对量子信号的噪声干扰,构建了量子-经典信号共纤传输连续变量量子密钥分发（CVQKD）系统的安全密钥率仿真模型,重点分析了经典光功率、信道间隔和探测方式对系统噪声和密钥率的影响。结果表明,在近距离传输时,FWM噪声占主导地位,在传输距离大于10 km时,XPM噪声大于RS和FWM噪声。系统总噪声与经典光功率正相关,与波分复用信道间隔反相关。零差和外差检测下,随着传输距离的增加,安全密钥率整体变化趋势接近,零差检测方式具有更大的极限传输距离。该研究工作可为实用化量子-经典信号共纤传输CVQKD系统的优化设计提供参考。     

光子数分束攻击对星地量子密钥分配系统安全的影响

由于仪器设备性能的不完美和信道传输损耗的存在,光子数分束(PNS)攻击对采用弱相干脉冲(WCP)光源的量子密钥分配(QKD)系统的安全性构成重大威胁.以基于WCP光源的星地QKD系统为研究对象,推导了在PNS攻击者采用最佳窃听策略进行窃听时,保证密钥绝对安全的最大天顶角和可采用的平均光子数之间的关系.理论分析和计算结果表明,星地QKD系统的最大安全传输天顶角和可使用的平均光子数等重要系统参数的取值上限均受PNS攻击的限制,最终系统的密钥交换速率和系统容量受到限制.对星地QKD系统的传输容量来说,天顶角和平均光子数是一对矛盾的影响因素.提供了一种对实际星地QKD系统的天顶角和平均光子数参数进行估算的方法.     

基于两种光源的诱发态量子密钥分配性能分析

单光子的衰减特性及其易受干扰的缺点限制了纯单光子量子系统的传输码率及距离.弱相干光脉冲(WCP)光源和准单光子源(HSPS)则具有更高的实用价值.本文将这两种光源和诱发态方案相结合并采用Lütkenhaus和Gottesman-Lo- Lütkenhaus-Preskill (GLLP)两种数据后处理方法进行性能分析.仿真结果表明:HSPS在传输距离上要优于WCP,对应相同传输距离时系统量子误码率(QBER)要小些,但相对密钥生成率低. 关键词： 量子密钥分配 诱发态 WCP光源 HSPS光源     

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。     

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。     

Finite-key analysis of practical time-bin high-dimensional quantum key distribution with afterpulse effect

High-dimensional quantum resources provide the ability to encode several bits of information on a single photon, which can particularly increase the secret key rate rate of quantum key distribution (QKD) systems. Recently, a practical four-dimensional QKD scheme based on time-bin quantum photonic state, only with two single-photon avalanche detectors as measurement setup, has been proven to have a superior performance than the qubit-based one. In this paper, we extend the results to our proposed eight-dimensional scheme. Then, we consider two main practical factors to improve its secret key bound. Concretely, we take the afterpulse effect into account and apply a finite-key analysis with the intensity fluctuations. Our secret bounds give consideration to both the intensity fluctuations and the afterpulse effect for the high-dimensional QKD systems. Numerical simulations show the bound of eight-dimensional QKD scheme is more robust to the intensity fluctuations but more sensitive to the afterpulse effect than the four-dimensional one.     

MIMO量子信道的空间自由度研究

量子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）技术应用于量子通信系统,提高量子密钥分发的比特率,促进量子通信向高速大容量发展.然而,量子场本身不可避免地存在量子噪声约束容量的增长,限制了可利用空间资源,即空间自由度.文中采用光子场的量子化和满足Schrdinger方程条件的电磁场波动方程推导出MIMO量子信道的空间自由度上限,为开发稳健的MIMO量子通信空时处理算法和优化设计高性能MIMO量子通信系统提供理论基础和技术支持. 关键词： 多输入多输出 量子密钥分发 Schrdinger方程 光子场的量子化     

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.     

Practical decoy-state BB84 quantum key distribution with quantum memory

We generalize BB84 quantum key distribution(QKD) to the scenario where the receiver adopts a heralded quantum memory(QM). With the heralded QM, the valid dark count rate of the receiver's single photon detectors can be mitigated obviously, which will lower the quantum bit error rate, and thus improve the performance of decoy-state BB84 QKD systems in long distance range. Simulation results show that, with practical experimental system parameters, decoy-state BB84 QKD with QM can exhibit performance comparable to that of without QM in short distance range, and exhibit performance better than that without QM in long distance range.     

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.     

FPGA based digital phase-coding quantum key distribution system

Quantum key distribution(QKD) is a technology with the potential capability to achieve information-theoretic security. Phasecoding is an important approach to develop practical QKD systems in fiber channel. In order to improve the phase-coding modulation rate, we proposed a new digital-modulation method in this paper and constructed a compact and robust prototype of QKD system using currently available components in our lab to demonstrate the effectiveness of the method. The system was deployed in laboratory environment over a 50 km fiber and continuously operated during 87 h without manual interaction. The quantum bit error rate(QBER) of the system was stable with an average value of 3.22% and the secure key generation rate is 8.91 kbps. Although the modulation rate of the photon in the demo system was only 200 MHz, which was limited by the FaradayMichelson interferometer(FMI) structure, the proposed method and the field programmable gate array(FPGA) based electronics scheme have a great potential for high speed QKD systems with Giga-bits/second modulation rate.