Improving Key Rate of Optical Fiber Quantum Key Distribution System Based on Channel Tomography

We investigate the key rate of polarization-coded optical fiber-based quantum key distribution system (QKD) with BB84 protocol by channel tomography. The quantum bit error rate (QBER) of the QKD system under depolarizing channel is obtained by analyzing output density operators, transmission rate of channel, transmission rate of the receiver and dark count of single photon detector. According to the estimated QBER an LDPC chosen adaptively is applied to information reconciliation and the practical final key rate is discussed. Analysis results show that compared with cascade scheme and no channel knowledge the key rate can be improved by the proposed reconciliation scheme with channel tomography.     

量子密钥分配系统中的通信速率和误码率

基于通信速率和误码率在量子保密通信研究中的重要性, 采用1.55 μm上转换单光子探测器, 分析其量子效率随抽运功率的变化关系, 得出1.55 μm上转换单光子探测器较传统的铟镓砷二极管具有较高的量子效率和较低暗计数的优势, 并根据通信距离、上转换单光子探测器的量子效率和暗计数之间建立一种平衡, 得出每种距离上探测器的优化方案; 在考虑个体攻击无量子记忆的条件下, 比较BB84协议, BBM92协议和差分相移协议的量子密钥分配(QKD)系统的安全通信速率和误码率随通信距离的变化关系, 得出了差分相移键控协议的量子密钥分配系统是一个非常实用的, 通信距离大于200 km的很有吸引力的长距离量子密钥分配系统。     

结合高效BB84协议的差分密钥分发系统

提出一种新的相位编码方案,使用差分和高效BB84协议实现量子密钥分发.在保留差分编码优势的同时,此方案进一步增加系统的安全性.Alice端随机选择{0,π/2,π,3π/2}中的相位对信号脉冲进行调制,Bob端随机选择{0,π/2}中的相位对信号脉冲进行调制.为了提高成码率和简化系统,以η(η→1)的概率选取{0,π} 基对相位进行调制,此时系统运行差分编码,用于生成密钥;以(1－η)的概率选取{π/2,3π/2}基中的相位对脉冲信号进行调制.{π/2,3π/2}基的选用是为了增加系统维度和进行安全性评估,不用于生成密钥.设计相应的系统,利用微弱相干光脉冲在该新协议下进行编码,在接收端采用法拉第－迈克尔逊方式进行解码,在实验上实现了长期稳定的密钥分发,误码率＜5%,传输距离达85 km.     

高速多量子阱激光器混沌保密通信系统研究

研究了外部光注入高速多量子阱激光器激光混沌全光保密通信系统,导出系统同步方程,理论证明并数值实现了系统的同步,分析了增加反馈系数以缩短同步时间且增强系统同步稳定性的方法。研究分析了多量子阱激光器混沌隐藏和混沌键控保密通信全光调制解调系统模型,数值模拟了具有正弦调制信号的调制频率0．2GHz混沌模拟保密通信和数字信号调制速率20Gb／s的混沌数字保密通信以及调制速率0．05Gb／s混沌键控保密通信的应用,系统确实具有较高的保密性能和反破译能力;分析了混沌数字信号保密通信调制带宽20Gb／s调制解调时的同步误差以及混沌键控调制速率,系统都具有非常好的调制解调特性,且在高速混沌通信中,系统解调具有相对较小的同步误差,而1Gb／s是混沌键控通信的速率上限。     

利用无噪线性光放大器增加连续变量量子密钥分发最远传输距离

如何提高实际量子密钥分发系统的安全码率和最远传输距离是量子密码学领域重要的研究课题. 本文采用量子无噪线性光放大器放大量子信号, 以改进连续变量量子密钥分发系统实际性能. 经仔细研究, 本文发现增益系数为g的线性无噪放大器可将连续变量量子密钥分发系统的最远安全传输距离提高20 log₁₀(g)/a km (a=0.2 dB/km为光纤信道的损耗系数), 并改善系统的安全码率和噪声抗性. 关键词： 量子密钥分发 连续变量 最远传输距离 线性无噪放大器     

一种稳定的自由空间量子密钥分配实验系统

基于量子密钥分配的基本原理,采用B92方案,以单光子作为信息载体,使用极化编码,搭建了一个简单易行的实验装置,实现了自由空间传输的量子密钥分配,平均每脉冲光子数为0．1,粗码率12．7kbits／s,误码率4％左右。     

The Influence of Signal Polarization on Quantum Bit Error Rate for Subcarrier Wave Quantum Key Distribution Protocol

In this paper, we consider the influence of a divergence of polarization of a quantum signal transmitted through an optical fiber channel on the quantum bit error rate of the subcarrier wave quantum key distribution protocol. Firstly, we investigate the dependence of the optical power of the signal on the modulation indices’ difference after the second phase modulation of the signal. Then we consider the Liouville equation with regard to relaxation in order to develop expressions of the dynamics of the Stokes parameters. As a result, we propose a model that describes quantum bit error rate for the subcarrier wave quantum key distribution depending on the characteristics of the optical fiber. Finally, we propose several methods for minimizing quantum bit error rate.     

基于弱相干光的实际QKD系统的安全性研究

实际量子密钥分发系统使用的单光子源主要是由弱激光脉冲经衰减得到。它不是理想单光子源而是服从泊松分布的准单光子源。每个非空光脉冲中包含多光子的概率不为零,强大的窃听者可利用此获得一些关于最终密钥的信息。因此,有必要研究实际QKD系统的安全性。采用对多光子进行分束窃听、单光子最佳攻击相结合的方案,用Shannon信息理论分析了基于弱相干光的实际QKD系统的安全性。研究结果表明实际QKD系统对于分束窃听和最佳攻击是安全的,并给出合法通信双方在该攻击方案下所容忍的误码率上限。     

实际QKD系统误码检测的检错比特数研究

在量子密钥分发协议中,需要消耗一定的比特用于误码检测.研究实际QKD系统中用于检测量子误码率的检测比特数,得到了误码率、允许误差、漏检率和最少检测比特数之间的关系;分析了实际QKD系统中所需要的检测比特数.研究结果表明,实际QKD系统中,用于误码检测的检测比特数为2 760时就可以估算量子误码率.     

提高基于机器视觉的心率测量精度的方法

基于摄像头(可见光)的心率测量方法,能够以非接触的方式检测受试者心率,无论在临床应用还是在家庭健康监护中都有着极大的应用前景。但是,CMOS摄像头的行扫描方式采集图像以及计算机系统的图像采集时钟抖动都会影响此类心率测量的精度,从而引入相位误差和系统随机误差。本文针对这两大主要误差进行研究分析,提出了消除相位误差的基于傅里叶变换的幅频叠加算法、消除图像采集系统时钟抖动误差的基于时间标定的三次样条插值重构方法。幅频叠加算法只在幅频域对信号进行处理,能够忽略信号的相位影响,从而消除相位误差。时间标定的三次样条重构算法能够重构图像的均匀采集,从而消除系统时钟抖动引起的随机误差。同时,通过理论推导论证了两种算法的可行性,进而利用LED模拟实验和实际心率测量实验验证该算法在提高信号检测精密度中的特性。在模拟实验中,对每帧图像的200行作幅频叠加运算,能够使信号幅值相对提升4.58%;基于时间标定的三次样条重构算法能使检测的信号频率的均方根误差缩小30%以上;在实际心率检测中,幅频叠加算法可使心率幅值相对提升达33.5%,基于时间标定的三次样条重构算法可使心率准确度提升40%左右。因此,模拟实验和实际心率测量实验均验证了提出的算法在提高系统检测精度上的有效性,提高了基于机器视觉心率测量的抗干扰能力。这两种算法不仅能够提高基于机器视觉的心率检测精度,而且能够适用于基于机器视觉对一定频率信号的检测,在机器视觉检测中具有广泛的意义。     

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.     

Gamma-Gamma湍流信道中大气光通信系统误码特性分析

大气信道中的大气湍流是影响无线激光通信系统性能的主要因素之一, 其引起的强度闪烁效应会对接收信号的提取和还原造成很大干扰。基于Gamma-Gamma概率分布的大气湍流信道统计模型, 研究了利用副载波相移键控(PSK)强度调制技术的大气光通信系统的误码特性; 推导了副载波二进制相移键控(BPSK)及开关键控(OOK)两种调制模式下的系统误码率表达式; 对在一定条件下的大气光通信系统, 比较了副载波BPSK和OOK两种调制模式的误码特性; 分析了链路特征、接收口径尺寸、通信波长和天顶角等因素对系统误码率的影响。结果表明, 增大接收孔径和通信波长都能有效地降低系统误码率, 而天顶角的增大则会使系统误码率增加, 副载波BPSK调制模式的误码特性要优于OOK调制模式的误码特性。     

像差对星间相干光通信接收系统误码性能的影响

以空间链路方程为基础,详细推导了具有不同像差时的星间相干光通信接收系统信噪比表达式。以通信距离为60000km、速率为2Gb/s的2PSK零差同步轨道接收系统为例,通过数值仿真,全面比较了接收天线的倾斜、离焦、彗差和像散等像差对接收系统误码率(εBER)的影响。结果表明,不同像差单独作用时,倾斜像差的影响最大,象散的影响最小;不同像差相互作用时,它们中的某些能部分实现相互校正,从而降低误码率。以εBER≤10-6为比较标准,当彗差W31/λ≤1.00时,调整倾斜像差能实现它们之间的部分校正;当像散W22/λ≤0.53时,调整离焦能对像散进行部分校正。因此,在设计接收系统时,接收天线的像差所产生的影响不容忽视。这将为设计星间相干通信接收系统提供必要的理论依据。     

Key Rate of Practical Quantum Communication Network

The security properties of quantum key distribution(QKD) system are analyzed with the practical light source using decoy state method. The secure key rate with the change of transmission distance is computed under the condition of ideal system, infinite light source system, untrusted light source and passive system. The influence of the fluctuation of transmission rate on the security characteristics of the system is discussed. Our numerical simulation results offer a useful reference for the practical QKD experiment.     

Error Estimation at the Information Reconciliation Stage of Quantum Key Distribution

Quantum key distribution (QKD) offers a practical solution for secure communication between two distinct parties via a quantum channel and an authentic public channel. In this work, we consider different approaches to the quantum bit error rate (QBER) estimation at the information reconciliation stage of the post-processing procedure. For reconciliation schemes employing low-density parity-check (LDPC) codes, we develop a novel syndrome-based QBER estimation algorithm. The algorithm suggested is suitable for irregular LDPC codes and takes into account punctured and shortened bits. Testing our approach in a real QKD setup, we show that an approach combining the proposed algorithm with conventional QBER estimation techniques allows one to improve the accuracy of the QBER estimation.     

Bound on Noise of Coherent Source for Secure Continuous-Variable Quantum Key Distribution

Coherent source of continuous-variable quantum key distribution (CV QKD) system may become noisy in practical applications. The security of CV-QKD scheme with the noisy coherent source is investigated under realistic conditions of quantum channel and detector. In particular, two models are proposed to characterize the noisy coherent source through introducing a party (Fred) who induces the noise with an optical amplifier. When supposing the party Fred is untrusted, two lower security bounds to the noise of the coherent source are derived for reverse reconciliation and realistic homodyne and heterodyne detections. While supposing Fred is a neutral party, we derive two tight security bounds without knowing Fred’s exact state for ideal detections. Moreover, the simulation results show that the security of the reverse reconciliation CV-QKD protocols is very sensitive to the noise of coherent source for both the homodyne and heterodyne detections.     

QKD系统在Breidbart基窃听下BB84协议的信息量研究

给出了BB84协议的Breidbart基窃听的方案,分析并计算了各种截取/重发策略下施行QKD标准纠错手续后Alice/Eve的有效平均交互信息量和对Bob引起的错误率.结果显示了Breidbart基窃听/Breidbart基重发策略(B/B策略)最为有效,并提出了各种窃听方案下Alice和 Bob采取相应的反攻击策略.     

利用遗传算法优化误差扩散核参数的条纹二值编码方法研究

二值条纹投影图像在高速、高精度的三维面形测量领域应用广泛,而提高二值编码条纹的正弦性对于提高三维面形的测量精度具有积极意义.传统及改进的误差扩散核多采用普适的扩散核对条纹图像进行二值编码,较少考虑图像特征与投影离焦程度对相位提取精度的影响.首先利用遗传算法的思想来寻求更佳的误差扩散核系数,然后通过线性拟合来构建与离焦程度以及正弦条纹周期相关的优化目标函数,最后得到优化二值编码条纹正弦性的误差扩散核.仿真和实验分析结果表明,在不同尺寸的窗口下,不同周期有最小相位误差的误差扩散核且它们各不相同,证实扩散核对图像的二值编码质量与图像特征有关.实验进一步证明,大中小三种离焦程度下,所提算法的相位误差较普适的Floyd-Steinberg扩散法可分别减小43.86％、64.37％和50.10％,所提算法的相位误差较改进的Floyd-Steinberg扩散法可分别减小13.51％、18.48％和17.65％.     

DWDM极窄带干涉滤光片的误差与自动补偿效应

针对现代光通信中的核心元件之一--密集型波分复用(DWDM)系统中极窄带光学薄膜干涉滤光片的指标要求,提出采用基于四分之一波长的规整膜系是实现密集型波分复用功能的最佳选择.对给定的设计方案的各个膜层的误差灵敏度分布、特定膜层的误差成因进行了分析,并对多个膜层进行了随机分布的误差模拟.通过对直接极值法监控中不同误差的补偿机理的研究,指出采用直接极值法监控是目前为止镀制这种滤光片的有效方法.最后讨论了可能存在的两种系统误差.     

DWDM用薄膜窄带滤光片的容差特性模拟分析

讨论了用于DWDM系统的薄膜窄带滤光片在镀制过程中的监控方法及误差产生的机理,利用自行建立的计算机膜厚容差模拟程序,分析了多FabryPerot腔窄带滤光片的容差特性.发现多腔窄带滤光片各腔的误差灵敏度与腔的位置有关,且各腔间隔层组成材料不同,其对误差最敏感的膜层位置也不相同.