降雨背景下量子定位系统中最优平均光子数自适应策略

量子定位系统（QPS）是一种高精度且安全的定位系统,光子数的变化会对定位误差和安全性造成很大影响。为了降低降雨天气下系统的定位误差并提高系统的安全性能,基于诱骗态量子密钥分配协议和最优平均光子数自适应（PNA）算法,提出了抵抗降雨干扰的QPS诱骗态自适应调整策略。建立了降雨强度、传输距离与最优平均光子数间的自适应关系,对自适应调整前后的定位误差和安全密钥生成率进行了对比。仿真结果表明,当降雨强度为10 mm/h,传输距离为10 km时,采用PNA算法后,系统定位误差由13.81 cm减小到1.13 cm;当降雨强度为1.47 mm/h,传输距离为25 km时,采用PNA算法后,系统的安全密钥生成率由5.5×10^-4提高到6.3×10^-4。由此可见,通过自适应调整系统每脉冲所含平均光子数,可以提高QPS在降雨天气下的可靠性。     

降雪对地表附近自由空间量子信道的影响及参数仿真

量子通信具有覆盖面广、安全保密的优势,是当前通信领域国内外的研究热点.在自由空间量子通信过程中,光量子信号需要在地表上空一定高度进行传输,因此各种环境因素,例如降雪、沙尘暴、降雨、雾霾、浮尘等,不可避免地会影响量子通信性能.然而,迄今为止,降雪对地表附近自由空间量子信道影响的研究尚未展开.为此,根据降雪的强度,将降雪分为小雪(S1)、中雪(S2)、大雪(S3)和暴雪(S4)四个等级.由于空中正在飘落雪花对光量子信号具有能量吸收作用,称为消光效应,不同强度的降雪,其消光效应对自由空间光量子信号的影响不同.本文首先建立了不同等级降雪对光量子信号消光效应的数学模型;然后建立了因降雪导致的自由空间消光衰减定量关系,信道极限生存函数、不同降雪强度下的信道容量和量子误码率等性能参数受降雪影响的变化情况;最后建立了降雪强度、传输距离与链路衰减、幅值阻尼信道容量、信道生存函数以及信道误码率的数学模型.仿真结果表明,当降雪强度为2.1 mm/d(S1),传输距离为2.2 km时,通信链路衰减为0.0362,信道容量为0.7745,信道生存函数为0.2329,信道误码率为0.0105.当降雪强度为3.8 mm/d(S2)。传输距离为3.5 km时,通信链路衰减为0.1326,信道容量为0.4922,信道生存函数为0.2099,信道误码率为0.019.由此可见,降雪对量子通信性能有不同程度的影响.所以在实际应用中应根据降雪强度大小,自适应调节量子通信相关参数,提高量子通信的可靠性.     

灰霾背景下基于最优链路的低轨道量子卫星星间切换策略

为了应对灰霾对星地量子通信信道所带来的突发性干扰,根据灰霾天气下量子信号在自由空间中的衰减指数,本文提出了一种基于信号功率衰减最低的最优链路量子卫星切换策略。当目前的星地链路参数满足切换条件时,地面用户通过对不同信道中量子信号功率衰减系数的比对,测试到最小衰减卫星链路,基于对光子态Bell基的测量,完成卫星间的量子纠缠交换,建立新的纠缠信道,保证通信在切换过程中的连续性。仿真结果表明,当系统呼损率为5%,能见度为1km,地面用户数分别为50、100、300,轨道高度为300km和1400km时,量子卫星的切换成功率分别为95%、93.6%、91.8%和92%、90%、87%。由此可见,本策略能够在保证通信可靠性的前提下,实现星地间量子信道的平稳切换,提高量子卫星通信系统在灰霾背景下链路的有效性。     

红外系统作用距离实时计算系统

鉴于复杂大气条件下的红外系统作用距离难以精确、实时地计算,提出一种建立红外系统作用距离实时计算系统的方法。通过将MODTRAN软件与基于光谱等分法建立的红外系统作用距离模型有机地结合起来,实现对于MODTRAN软件自动写入配置及调用计算,简化了大气模型的配置方法,并能够自动读取MODTRAN生成的结果输出文件。对某探测目标在不同海拔高度（1 km~6 km）及不同降雨强度(0 mm/h~4 mm/h)下红外系统作用距离进行计算,结果表明:探测高度的变化对于红外系统作用距离有比较明显的影响,其中在1 km~3 km探测高度范围内,探测距离变化尤为明显。降雨对于红外系统作用距离影响巨大。降雨强度为1 mm/h时,红外系统作用距离衰减为无降雨时的50%。当降雨强度大于3 mm/h时,作用距离趋于稳定。     

雾对自由空间量子通信性能的影响

为了研究雾对自由空间量子通信的影响,根据雾滴谱分布函数和消光系数,研究了雾的能见度及传输距离对链路衰减、量子通信信道容量、信道保真度及信道误码率的影响,并进行了仿真实验。结果表明,当传输距离为9 km,能见度分别为0.2 km和0.6 km时,对应的链路衰减,信道容量,信道保真度,信道误码率分别为0.76和0.25,0.24和0.4,0.91和0.97,0.01和3.26×10~(-7)。由此可见,能见度小于1 km时,雾对各项性能影响较为显著。因此,应根据雾的能见度来调整通信系统的各项参数以保证通信的顺利进行。     

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。     

基于高损耗信道的纠缠分发实验模拟

实验模拟了总信道损耗70 dB的纠缠分发和Bell不等式的破坏,相当于纠缠光子对从轨道高度350 km的卫星上发射(口径13.5 cm),到仰角大于10°的地面站被接收(口径100 cm)的信道损耗^[11],模拟纠缠分发距离超过千公里;并且通过理论和实验研究,明确了高信道衰减下量子纠缠分发的关键技术突破点,首先必须降低系统暗计数和提高系统时间分辨,在此基础上提高纠缠源的亮度,系统将能容忍更高的信道衰减,实现更远的通信距离. 关键词： 纠缠分发 信道损耗 时间分辨 Bell不等式     

中层海水水色三要素对水下量子通信性能的影响

为了研究中层海水中水色三要素对水下量子通信性能的影响,首先根据水色三要素的吸收和散射模型,提出了海水中叶绿素浓度、光量子信号波长和水下量子链路衰减的关系;然后针对退极化信道,分析了叶绿素浓度、光量子信号波长与信道容量、信道平均保真度和信道误码率之间的定量关系。仿真结果表明,传输距离为20 m,当叶绿素浓度分别为0.5 mg/m~3和1.5 mg/m~3时,水下量子通信信道容量、信道平均保真度、信道误码率依次分别为0.263 1和0.142 3,0.705 2和0.553,0.037 05和0.029 17.当波长分别为400nm和800nm时,通信信道容量、信道平均保真度、信道误码率依次分别为0.229 1和0.428 3,0.914 2和0.943 7,0.012 36和0.006 87。由此可见,叶绿素浓度和光量子信号波长对水下量子通信性能有显著的影响。应根据对海水水色三要素的探测情况,自适应调整系统的各项参数。     

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.     

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.     

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.     

基于cluster态的信道容量可控的可控量子安全直接通信方案

提出了一种基于五粒子cluster态的信道容量可控的可控量子安全直接通信方案.通信三方利用五粒子cluster态自身的粒子分布情况,结合诱骗光子,对粒子分别做Z基单粒子测量和Bell基测量,便可完成信道的第一次安全性检测.通信控制方Cindy通过对手中的粒子序列随机选用测量基(Z基或者X基)测量来决定信道容量,并通过经典信道公布结果.发送方Alice将要发送的信息以及校检信息用于对手中的粒子序列进行幺正操作编码,并插入诱骗光子后将编码后的粒子序列发给接收方Bob并通过经典信道告知其诱骗光子的位置信息.Bob接收到粒子序列后,按照经典信道Alice发送的信息,结合Cindy公布的信息,剔除诱骗光子后按照一定的规则对手中的两组粒子序列进行Bell基测量,便可解码完成第二次安全性检测以及得到Alice发送的信息.通过对五粒子cluster态的纠缠结构性质进行分析,阐明了五粒子cluster态在该方案中所表现出的特点的物理缘由.结果表明,只需变化测量基的规则和用于编码的粒子,可以将该方案推广成可控双向量子安全直接通信.     

利用诱骗信号方案进行实用的量子密钥分发

真实量子密钥分发系统中不完善的单光子源和信道损耗的存在,使得现有基于弱相干态的量子密码实验在分束攻击下并不安全,诱骗信号方案能实现基于现有技术绝对安全的量子密钥分发,并能有效提高密钥分发率和安全传输距离,因此成为近年来量子通信研究的热点问题.结合现实量子密码系统的一般模型,介绍目前几种典型的诱骗信号方案以及实验进展,综述了诱骗信号方案的发展情况和最新成果,并对未来的研究方向进行了展望.     

A long-distance quantum key distribution scheme based on pre-detection of optical pulse with auxiliary state

We construct a circuit based on PBS and CNOT gates, which can be used to determine whether the input pulse is empty or not according to the detection result of the auxiliary state, while the input state will not be changed. The circuit can be treated as a pre-detection device. Equipping the pre-detection device in the front of the receiver of the quantum key distribution(QKD) can reduce the influence of the dark count of the detector, hence increasing the secure communication distance significantly. Simulation results show that the secure communication distance can reach 516 km and 479 km for QKD with perfect single photon source and decoy-state QKD with weak coherent photon source, respectively.     

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     

Scheme for Deterministic Secure Quantum Communication with Three-qubit GHZ State

We present a novel scheme for deterministic secure quantum communication by using three-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state as quantum channel. It will be shown that secret messages can be encoded by employing four two-unitary collective operations, and decoded by Bell-basis measurements and some additional classical information. Security of the communication can be ensured by the order rearrangement of photon pairs techniques and the decoy photon checking technique. It has a high capacity as each GHZ state can carry two bits of information, and has a high intrinsic efficiency because almost all the instances except for the decoy checking photons (its number is negligible) are useful. Furthermore, this protocol is feasible with the present-day technique.     

New protocols for non-orthogonal quantum key distribution

Combining the passive decoy-state idea with the active decoy-state idea, a non-orthogonal (SARG04) decoy-state protocol with one vacuum and two weak decoy states is introduced based on a heralded pair coherent state photon source for quantum key distribution. Two special cases of this protocol are deduced, i.e., a one-vacuum-and-one-weak-decoy-state protocol and a one-weak-decoy-state protocol. In these protocols, the sender prepares decoy states actively, which avoids the crude estimation of parameters in the SARG04 passive decoy-state method. With the passive decoy-state idea, the detection events on Bob’s side that are non-triggered on Alice’s side are not discarded, but used to estimate the fractions of single-photon and two-photon pulses, which offsets the limitation of the detector’s low efficiency and overcomes the shortcoming that the performance of the active decoy-state protocol critically depends on the efficiency of detector. The simulation results show that the combination of the active and passive decoy-state ideas increases the key generation rate. With a one-vacuum-and-two-weak-decoy-state protocol, one can achieve a key generation rate that is close to the theoretical limit of an infinite decoy-state protocol. The performance of the other two protocols is a little less than with the former, but the implementation is easier. Under the same condition of implementation, higher key rates can be obtained with our protocols than with existing methods.     

Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography

We propose an efficient method to verify the upper bound of the fraction of counts caused by multiphoton pulses in practical quantum key distribution using weak coherent light, given whatever type of Eve's action. The protocol simply uses two coherent states for the signal pulses and vacuum for the decoy pulse. Our verified upper bound is sufficiently tight for quantum key distribution with a very lossy channel, in both the asymptotic and nonasymptotic case. So far our protocol is the only decoy-state protocol that works efficiently for currently existing setups.     

Space-to-Ground Quantum Key Distribution Using a Small-Sized Payload on Tiangong-2 Space Lab

Quantum technology establishes a foundation for secure communication via quantum key distribution(QKD). In the last two decades, the rapid development of QKD makes a global quantum communication network feasible. In order to construct this network, it is economical to consider small-sized and low-cost QKD payloads, which can be assembled on satellites with different sizes, such as space stations. Here we report an experimental demonstration of space-to-ground QKD using a small-sized payload, from Tiangong-2 space lab to Nanshan ground station. The 57.9-kg payload integrates a tracking system, a QKD transmitter along with modules for synchronization, and a laser communication transmitter. In the space lab,a 50 MHz vacuum+weak decoy-state optical source is sent through a reflective telescope with an aperture of 200 mm. On the ground station, a telescope with an aperture of 1200 mm collects the signal photons. A stable and high-transmittance communication channel is set up with a high-precision bidirectional tracking system, a polarization compensation module, and a synchronization system.When the quantum link is successfully established,we obtain a key rate over 100 bps with a communication distance up to 719 km. Together with our recent development of QKD in daylight,the present demonstration paves the way towards a practical satellite-constellation-based global quantum secure network with small-sized QKD payloads.