基于混合编码的测量设备无关量子密钥分发的简单协议

测量设备无关量子密钥分发协议移除了所有测量设备的漏洞,极大地提高了量子密钥分发系统的实际安全性,然而,该协议的安全密钥率相比于其他量子密钥分发协议来说仍然是较低的.目前,利用高维编码来提升量子密钥分发协议的性能已经在理论和实验上都得到证明,最近有人提出了基于高维编码的测量设备无关量子密钥分发协议,但是由于所提出的协议对实验设备性能有更高的要求,所以在实际应用上仍然存在许多困难.本文提出一种基于偏振和相位两种自由度的混合编码测量设备无关量子密钥分发协议,并且利用四强度诱骗态方法分析该协议在实际条件下的安全性,最后数值仿真结果表明,该协议在实际条件下40 km和50 km处的最优安全码率相比于原MDI-QKD协议分别提升了52.83%和50.55%.而且,相比于其他基于高维编码的测量设备无关量子密钥分发协议来说,本文提出的协议只要求本地用户拥有相位编码装置和偏振编码装置,探测端也只需要四台单光子探测器,这些装置都可以利用现有的实验条件实现,说明该协议的实用价值也很高.     

基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配研究

针对量子中继器短时间内难以应用于长距离量子密钥分配系统的问题, 提出了基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配协议, 分析了其密钥生成率与存储效率、信道传输效率和安全传输距离等参数间的关系, 研究了该协议中量子存储单元的退相干效应对最终密钥生成率的影响, 比较了经典测量设备无关量子密钥分配协议和基于量子存储的测量设备无关量子密钥分配协议的密钥生成率与安全传输距离的关系. 仿真结果表明, 添加量子存储单元后, 协议的安全传输距离由无量子存储的216 km增加至500 km, 且量子存储退相干效应带来的误码对最终的密钥生成率影响较小. 实验中可以采取调节信号光强度的方式提高测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率, 为实用量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

一种K分布强湍流下的测量设备无关量子密钥分发方案

研究了K分布强湍流下自由空间测量设备无关量子密钥分发协议模型,采用阈值后选择方法来减少大气湍流对密钥生成率的影响,对比分析了使用阈值后选择方法前后协议的密钥率和湍流强度之间的关系.仿真结果表明,使用阈值后选择方法可以有效地提高协议的密钥生成率,尤其是在高损耗和强湍流区域,而且其最佳阈值与湍流强度、信道平均损耗有关,对实际搭建性能较好的自由空间测量设备无关量子密钥分发协议系统具有一定的参考价值.     

基于旋转不变态的测量设备无关量子密钥分配协议研究

本文提出了一种基于旋转不变态的偏振无关测量设备量子密钥分配协议,既适用于偏振编码测量设备无关量子密钥分配系统,也应用于相位编码测量设备无关量子密钥分配系统的相干过程.通过在线偏振基进入信道传输前嵌入2块q玻片,使得在传输过程中将线偏振基转化为旋转不变的圆偏振基,而第三方对接收到的脉冲进行Bell态测量前,利用q玻片的算符可逆性,将圆偏振基还原为线偏振基进行测量,可以有效消除信道传输中偏振旋转导致的误码.本文分析了偏振无关的三诱骗态测量设备无关量子密钥分配系统的误码率,研究了密钥生成率与安全传输距离的关系,仿真结果表明,对于偏振编码测量设备无关量子密钥分配系统,该协议可以有效提高系统的最大安全通信距离,为实用的量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

参考系波动下的参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议

参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议是解决实际系统中参考系对准问题的有效途径,但其安全性的前提是参考系偏移速度缓慢.考虑到现实参考系波动和信号长度有限的情况,重点讨论了参考系偏移和波动下的有偏基参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议性能的有效性.仿真结果表明协议密钥率是关于偏移角的周期函数,同时也是波动角的递减函数,为下一步参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议实用化打下了理论基础.     

基于四态协议的半量子密钥分发诱骗态模型的有限码长分析

半量子密钥分发允许一个全量子用户Alice和一个经典用户Bob共享一对由物理原理保障的安全密钥.在半量子密钥分发被提出的同时其鲁棒性获得了证明,随后半量子密钥分发系统的无条件安全性被理论验证. 2021年基于镜像协议的半量子密钥分发系统的可行性被实验验证.然而,可行性实验系统仍旧采用强衰减的激光脉冲,已有文献证明,半量子密钥分发系统在受到光子数分裂攻击时仍旧面临密钥比特泄露的风险,因此,在密钥分发过程中引入诱骗态并且进行有限码长分析,可以进一步合理评估密钥分发的实际安全性.本文基于四态协议的半量子密钥分发系统,针对仅在发送端Alice处加入单诱骗态的模型,利用Hoeffding不等式进行了有限码长情况的安全密钥长度分析,进而求得安全密钥率公式,其数值模拟结果表明,当选择样本量大小为10⁵时,能够在近距离情况下获得10^-4bit/s安全密钥速率,与渐近情况下的安全密钥率相近,这对半量子密钥分发系统的实际应用具有非常重要的意义.     

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。     

基于指示单光子源的非对称信道量子密钥分配

针对传统的量子密钥分配协议未考虑非对称信道的问题,研究了基于指示单光子源的非对称信道的测量设备无关量子密钥分配协议的性能参数。主要分析了协议中的平均光子数、单边传输效率、密钥生成率与信道传输损耗之间的关系。比较了指示单光子源下,对称信道与非对称信道的测量设备无关量子密钥分配协议的性能优劣。仿真结果表明,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性能。     

非对称信道传输效率的测量设备无关量子密钥分配研究

测量设备无关量子密钥分配方案可以移除所有的探测器侧信道漏洞,通过结合诱骗态方案可以生成无条件安全的密钥.本文研究了非对称信道传输效率下三强度诱骗态测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率与信道传输损耗的关系,比较了对称信道传输效率和非对称信道传输效率下的距离比率对单边传输效率、单光子误码率和量子密钥生成率的影响,仿真结果表明随着信道不匹配度逐渐增加,可容忍信道传输损耗由对称信道情形下的62 dB分别降至38 dB(距离比率为0.5)和17 dB(距离比率为0.1),能够安全提取密钥的可容忍传输损耗下降较快,密钥生成率的安全传输距离也随之降低.实验中可以采取调节信号光强度的方式提高非对称传输效率下测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率,为实用的量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

几类量子密钥分发协议的比较与分析

本文根据量子密钥分发协议的特点,对近期分别由M. Lucamarini等和马雄峰等提出的两类量子密钥分发协议,即双场量子密钥分发协议(TF-QKD)、相位匹配量子密钥分发协议(PM-QKD)与H.K等提出的测量设备无关的量子密钥分发协议(MDI-QKD)进行多方分析,确定比较基准和分类属性,在同一层次上横向比较了这三种协议在设备实现、诱骗态方法、光子源、干涉测量类型、密钥率、安全性证明等方面的特性,结果表明相位编码能有效提高光脉冲传输稳定性,结合单光子干涉以及相位后补偿方法能够进一步提高密钥生成率。