量子密钥分发网络应用技术研究进展

现有的量子密钥分发网络根据其节点不同可分为三类,即由信任节点构成的网络系统、由光学节点构成的网络系统、以及由量子节点构成的网络系统.讨论了由不同节点构成的网络系统的特点,并分别指出了各自的优缺点.最后指出,一个跨越全球的量子密钥分发网络需要由这三种不同的网络系统组成.     

量子密钥分发和经典光通信波分复用共纤传输研究

研究了量子密钥分发和经典光通信波分复用共纤传输的技术难点和可行性。基于系统重复频率 40 MHz的诱骗态相位编码BB84协议量子密钥分发设备,提出了3种量子信号与经典光信号的波分复用共纤传输方案：单纤双向CWDM共纤传输方案,复用1 550.12 nm波长量子信号、1 310 nm波长时钟信号以及正向1 590 nm波长100 Mbit/s速率光信号和反向1 610 nm波长100 Mbit/s速率光信号,光纤传输距离70 km下密钥成码率达到1.2 kbit/s;双纤双向CWDM共纤传输方案,复用1 550.12 nm波长量子信号、1 610 nm波长时钟信号以及1个波长的同向光信号在1 310 nm波长OOK光信号速率10 Gbit/s,光纤传输距离55 km下,密钥成码率达到1.58 kbit/s;双纤双向DWDM共纤传输方案,复用1 550.12 nm波长量子信号、1 610 nm波长时钟信号以及2个同向波长各自为1 551.72 nm和1 552.52 nm,并模拟100 Gbit/s相干光通信DP-QPSK信号接收功率,光纤传输距离70 km下,密钥成码率达到1.16 kbit/s。     

基于波分复用技术的测量设备无关量子密钥分发

基于诱骗态MDI-QKD协议,提出了一种使用波分复用技术(WDM)的MDI-QKD协议.通信双方Alice和Bob同时发送不同波长的多路信号,通过光复用器将多路信号合并,由单根光纤进行长距离传输.第三方Charlie通过光解复用器将多路合成信号分开,分别对每一路进行贝尔态测量.理论分析结果表明协议的密钥生成率与传输距离、复用路数及平均光子数目有关;数值仿真结果表明在不增加系统传输设备的前提下,该协议极大提高了系统的密钥生成率.当传输距离为150 km,单路的密钥生成率为0.17 Mbps,20路、40路复用的密钥生成率分别可达3.34 Mbps、6.68 Mbps.     

量子密钥分发中偏振补偿算法

在以单模光纤作为量子信道,并采用光子偏振编码方式的量子密钥分发过程中,光纤的双折射效应会导致光子在光纤中传播时其偏振态发生随机变化,使安全密钥的最终成码率大幅度降低.利用两个四分之一波片和一个半波片的组合作为校正器,可以实现对任意偏振态的校正补偿.建立了一种以该类偏振校正器为执行机构的基于随机并行梯度下降控制算法的实时偏振补偿仿真控制模型,讨论了算法的随机扰动幅度、增益系数与收敛速度的关系,分析了算法对于偏振的校准能力.通过实验对算法的性能进行了验证.实验结果表明,经过一定次数的迭代后可将系统的偏振消光比校正到一个比较理想的状态.     

混合连续—离散变量量子密钥分发

作为量子密码学的主要应用之一,量子密钥分发(QKD)是一种密钥的安全传输方式。相比于传统的通信方式,基于量子力学基本原理的QKD协议在理论上具备无条件安全性。一般来说,QKD过程中量子态的制备和传输需要对光子进行编码、传输和测量。近年来,QKD在理论与工程应用方面取得了极大的发展,也推动了国内外QKD网络的部署。文章对近期混合连续—离散变量QKD的几项工作进行了重点讨论,结合离散变量QKD的编码方式以及连续变量QKD的探测方式对实际搭建QKD信道的优缺点进行了分析,并进一步梳理与总结了现阶段混合连续—离散变量QKD的研究重点和难点。     

一种相位编码、偏振检测的量子密钥分发系统

一种基于迈克耳逊干涉仪的单向量子密钥分发系统,采用法拉第旋转镜和四端口偏振分束器的组合,消除了光纤及光学器件的双折射效应,具有自稳定特性.信息编码在光子的相位上,通过检测光子的偏振进而解码出信息.以中心波长1310 nm的单光子脉冲,在50 km的干线光纤中获得了30 dB的消光比.     

单光子双比特量子密钥分发量子误码分析

对基于偏振-相位混合调制的单光子双比特方案进行了分析和改进。建立了偏振态输入输出模型,从理论分析了光纤Mach-Zehnder(M-Z)干涉环对偏振态的影响,仿真分析了偏振基矢与快慢轴对准误差以及快慢轴相位差引入的偏振编码量子误码率(BER),进而推导出了偏振-相位混合调制的光子偏振态保持条件。偏振编码的量子误码率受到M-Z干涉仪的影响非常大。理论分析表明,偏振态的抖动不仅来源于光纤的折射率,还受到偏振态未对准光纤快慢轴的影响。给出了一些重要的偏振态保持条件。仿真表明当ρ和θ小于0.2rad,偏振态量子误码率小于0.015,当ρ和θ小于0.4rad时,偏振态量子误码率小于0.06。这对于单光子双比特的量子密钥系统的误码率(<11%)要求来说,2%～5%的误码率是能够接受的。     

量子密钥分发系统与经典光通信系统共纤传输分析

阐述量子信号与经典信号共纤传输的技术难点和解决办法,结合实际经典网络特点,提出了量子密钥分发系统与经典光通信系统共纤传输方案,为量子密钥分发系统与经典光通信系统共纤传输技术进一步研究提供参考,从而促进量子密钥网络的发展。     

量子密钥分发技术的机遇与挑战

量子密钥分发（QKD,quantum key distribution）具有理想的理论安全性,近十年来得到了快速发展.但是,理论上被证明完美的技术并不意味着一定能够实现完美的应用.一方面,越来越多的研究表明,旁路攻击将是QKD系统的一个主要威胁,而且针对实际QKD系统的旁路攻击才刚刚开始.另一方面,由于量子信号的传输不像经典电磁波那样具有很大的灵活性,致使QKD很难与传统通信网络进行无缝对接,也很难在广域网中得到广泛作用.另外,QKD也不能解决身份识别和数据存储安全等问题.因此,构建一个完善的QKD系统安全及其测评体系将是QKD得到实际应用的重要因素,而构建一个完善的抗量子计算的新型密码理论体系将是确保未来信息安全的关键.     

基于W态的量子确定性密钥分发方案

提出了一种基于W态的量子确定性密钥分发方案,方案采用在量子信道中传输更加稳定的W态作为承载信息的粒子,利用量子相干特性以及一串公开的信息序列S作为密钥分发的关键,在兼顾传输粒子稳定性的前提下能够达到54.54%的密钥分发效率,与使用GHZ态相比,在效率相差无几的情况下保证粒子在传输过程中具有更强的鲁棒性。安全分析表明,此方案能经受窃听者采取的截获——转发（重发）攻击和纠缠攻击两种攻击方式,确保通信安全可靠。同时,该方案在执行过程中不涉及任何幺正操作,简单便捷。     

基于量子密钥分发的可信光网络体系架构

量子通信具有理论上的"绝对安全"和"一次一密"的优势,将其引入到光网络中可以在很大程度上提升光网络的安全性,同时,光网络作为重要的信息基础设施可以为量子密钥传送提供可靠的管道资源。文章提出基于量子密钥分发技术的可信光网络体系架构,总结量子密钥分发及量子与经典信息混传技术的研究进展,探讨量子光网络面临的问题与发展前景。量子光网络目前逐渐从点对点的初级阶段向多节点网络内的量子密钥分发与经典光网络融合交换的方向深入发展。     

面向城域接入的连续变量量子密钥分发技术

相干态连续变量量子密钥分发技术是量子保密通信的重要手段,其通过制备、传输和测量高斯调制或离散调制的相干态来实现具有理论无条件安全性的密钥提取,具有与经典光通信产业兼容性高、中短传输距离下安全码率高、可支持点对多点密钥分发等优势,适合在城域和接入网中大规模部署。调研综述了连续变量量子密钥分发技术的协议、安全性理论、系统化与网络化发展现状,针对城域网和接入网应用场景下的连续变量量子密钥分发关键技术进行了梳理,并对连续变量量子密钥分发技术未来发展趋势进行了展望。     

基于量子密钥分发架构的语音加密增强应用

针对量子计算的飞速发展对传统的SSL加密传输带来的巨大风险,提出了一种基于量子密钥分发架构的语音加密增强应用。首先,连接量子内生安全平台,使用短编码校验机制,用于用户的接入认证与鉴权,确保了用户的不可冒充与终端的不可伪造;然后,使用量子密钥无线分发安全机制对服务端或是客户端进行安全的量子密钥发放,通过分发协议将加密后的量子密钥分别发送给分发客户端和分发服务端,保证分发客户端和分发服务端的密钥同步;最后,在终端建立密钥池,可以对密钥进行在线更新、补充等操作,实现使用终端密钥池中的密钥对网络音视频通话进行加解密,保证高质量、绝对安全的通话。实验结果证明,所提应用使用量子密钥与国产商用密码技术结合不仅提高了通话的安全性,同时直接从本地密钥池中获取密钥也大大地降低了通话时延,提高了通话质量。     

基于信任中心的量子密钥分发增强方法

阐述了量子保密通信原理,论述了现阶段基于中继站的量子密钥分发方法的安全性,提出了基于信任中心的量子密钥分发的增强型方法,进一步提升了量子密钥分发网络的安全性。     

基于GHZ态纠缠交换的量子确定性密钥分发方案

为了提高确定性密钥分发效率,提出了基于GHZ态纠缠交换的量子确定性密钥分发(Quantum deterministic key distribution,QDKD)方案,方案充分利用量子力学纠缠交换的原理,通信双方通过共享一对GHZ粒子态,在纠缠、测量操作后接收者Bob可根据发送者Alice发送的经典信息推断出确定密钥,该协议与其他基于GHZ纠缠态的QDKD方案不同之处在于,使用的两个GHZ粒子态制备操作且粒子分发操作由Bob完成,安全分析表明窃听者的窃听行为会被及时发现。所提出的方案是高效的,除去用于窃听检测的粒子,所剩的粒子全部用于信息传输,能够达到60%的密钥分发效率,且方案可操作性强.     

基于压缩光源的无需监控信号干扰的量子密钥分发

量子密钥分发可以为通信双方提供无条件安全的密钥。提出使用压缩光源的无需监控信号干扰的量子密钥分发协议。该协议通过在接收端对量子信号进行循环移位并测量任意2个量子信号的相位差来实现量子密钥分发,不仅可以产生安全密钥,而且不需要监控信号干扰,降低实现的复杂度。此外,仅使用2种强度的诱骗态去估计安全密钥生成率。实验结果表明:所提出的协议可以极大地提高安全密钥率,并增大传输距离。此外,仅使用2种强度的诱骗态也可以获得接近使用无穷个诱骗态的结果。