弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的性能优化分析

测量设备无关量子密钥分发系统能够抵御任何针对单光子探测器边信道的攻击, 进一步结合诱惑态的方案, 可以同时规避准单光子源引起的实际安全漏洞. 测量设备无关量子密钥分发系统中, 非对称传输、分束器的不对称以及各个单光子探测器存在实际参数差异等光学系统的具体实现特征会对系统误码率和成码率等性能产生一定的影响. 本文针对采用弱相干光源的测量设备无关量子密钥分发系统, 引入单光子探测器品质因子的实验参数(暗计数与探测效率的比值), 通过量子化描述, 理论推导并模拟了误码率与单光子探测器品质因子、分束器反射率以及通信双方弱相干光源平均光子数之间的关系. 结果表明: 在X基偏振编码 和相位编码系统中, 当分束器的反射率趋近于0.5时, 误码率取最小值; 在偏振编码和相位编码系统中, 误码率随着单光子探测器品质因子的增大而增大; 在Z基偏振编码系统中, 误码率随分束器的反射率的变化会呈现较小的波动, 当分束器的反射率为0.5时, 若通信双方采用的平均光子数相差较大, 则误码率取最大值; 分束器的反射率和平均光子数对误码率的影响在Z基情况下不能等同, 但是对于X基编码和相位编码却能等同.     

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.     

长程光纤传输的时间抖动对相位编码量子密钥分发系统的影响

测量了光脉冲在不同传输距离和不同外界环境影响下基于差分相位编码和双不等臂M-Z相位编码系统的时间抖动,并根据时间抖动的分布情况建立了相位编码量子密钥分发系统中误码率和时间抖动关系的物理模型,给出了单光子脉冲一般波形函数和误码率之间的关系式,根据这个关系式可以得出确定波形单光子脉冲在确定时间抖动分布情况下系统误码率的结果. 关键词： 量子密钥分发 相位编码 时间抖动 误码率     

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.     

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。     

Efficient error estimation in quantum key distribution

In a quantum key distribution(QKD)system,the error rate needs to be estimated for determining the joint probability distribution between legitimate parties,and for improving the performance of key reconciliation.We propose an efficient error estimation scheme for QKD,which is called parity comparison method(PCM).In the proposed method,the parity of a group of sifted keys is practically analysed to estimate the quantum bit error rate instead of using the traditional key sampling.From the simulation results,the proposed method evidently improves the accuracy and decreases revealed information in most realistic application situations.     

基于泊松分布单光子源的量子误码率的分析

在自由空间量子密钥分配中,单光子源采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲,量子密码术协议采用BB84和B92协议。通过引入量子信道传输率、单光子捕获概率、测量因子和数据筛选因子,建立了量子误码率理论模型,给出了量子误码率的表达式。对于自由空间量子信道,引起量子误码率的主要因素是光学元件、探测器暗噪声和空间光学环境,并对这些因素进行了分析。针对低轨卫星_地面站间链路,进行了量子误码率的数值仿真研究。结果表明,在低轨卫星_地面站间进行量子密钥分配是可行的,限制自由空间量子密钥分配链路距离的主要因素是探测器暗噪声和空间光学环境。     

单向量子密钥纠错协议的纠错性能仿真分析

高效误码纠错是量子密钥分配后续数据处理的关键技术之一.基于汉明码校验子级联单向一次通信纠错方案, 分别对三种校验子级联纠错能力进行了理论和仿真分析.根据分析结果提出了一种基于混合校验子级联纠错协议, 通过优化纠错流程相关参数提高密钥生成效率.随后对该协议的纠错能力及其密钥生成效率进行了仿真分析, 最后根据误码率后验分布参数, 对密钥最终误码率及其置信区间进行了估计.单一校验子级联纠错仿真结果显示:在相同的纠错能力的条件下, 初始误码率为3% < p ≤ 11% 时, (7, 4)汉明码纠错的密钥生成效率最高;初始误码率为1.5% < p ≤ 3.0% 时, (15, 11)汉明码纠错的密钥生成效率最高;初始误码率为p ≤ 1.5% 时, (31, 26) 汉明码纠错的密钥生成效率最高.混合校验子级联纠错方案的仿真结果显示:对于初始误码率为9.50%, 经过8轮次混合校验子级联纠错, 密钥生成效率为9.94%, 误码率期望值为5.21×10^-12, 置信度为90%的上限值为2.85×10^-11, 相比用单一(7, 4)校验子级联纠错的密钥生成效率提高了约3倍. 关键词： 量子密钥分配 保密纠错 效率分析     

双协议量子密钥分发系统实验研究

提出了一种改进的基于时间和相位混合编码的量子密钥分发方案, 并进行了实验研究.在以BB84协议为基础的相位编码量子密钥分发系统上, 利用了系统中原来舍弃的脉冲进行时间编码, 使成码率提高为原方案的二倍. 系统同时获得时间编码密钥和相位编码密钥, 现在可以将两组密钥组合成新密钥, 提高了成码率和监测窃听灵敏度. 同时在系统的接收端用双FM反射式干涉仪代替传统的光纤M-Z干涉仪,提高了系统的稳定性. 实验上已实现90km光纤量子密钥分发, 实验表明本系统具有安全性高,稳定性好,成本低的优点. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 相位编码 时间编码     

基于信道估计的自适应连续变量量子密钥分发方法

为使连续变量量子密钥分发协议获得稳定的密钥生成率,需要根据信道变化动态调整发送光脉冲的强度.将光纤量子信道看作加性玻色量子高斯信道,给出高斯态通过玻色量子高斯信道仍得到高斯态的证明过程.通过平衡零差检测后,采用最大似然估计法得到了信道参数,进而根据估计的噪声大小自适应调整Alice发送的光脉冲的强度,从而获得稳定的密钥生成率. 关键词： 量子密钥分发 连续变量 玻色量子高斯信道 信道估计     

Reference-frame-independent quantum key distribution of wavelength division multiplexing with multiple quantum channels

Reference-frame-independent quantum key distribution (RFI-QKD) can allow a quantum key distribution system to obtain the ideal key rate and transmission distance without reference system calibration, which has attracted much attention. Here, we propose an RFI-QKD protocol based on wavelength division multiplexing (WDM) considering finite-key analysis and crosstalk. The finite-key bound for RFI-QKD with decoy states is derived under the crosstalk of WDM. The resulting secret key rate of RFI-QKD, which is more rigorous, is obtained. Simulation results reveal that the secret key rate of RFI-QKD based on WDM is affected by the multiplexing channel number, as well as crosstalk between adjacent channels.     

The queueing model for quantum key distribution network

This paper develops a QKD (quantum key distribution)-based queueing model to investigate the data delay on QKD link and network, especially that based on trusted relays. It shows the mean packet delay performance of the QKD system. Furthermore, it proposes a key buffering policy which could effectively improve the delay performance in practice. The results will be helpful for quality of service in practical QKD systems.     

Continuous variable quantum key distribution

Quantum key distribution enables unconditionally secure key distribution between two legitimate users.The information-theoretic security is guaranteed by the fundamental laws of quantum physics.Initially,the quantum key distribution protocol was proposed based on the qubits.Later on,it was found that quantum continuous variables can also be exploited for this target.The continuous variable quantum key distribution can build upon standard telecommunication technology and exhibits a higher secret key rate per pulse at a relatively short distance due to the possibility of encoding more than 1 bit per pulse.In this article,we review the current status of the continuous variable quantum key distribution research,including its basic principle,experimental implementations,security and future directions;the experimental progress in this field made by our group is also presented.     

Performance improvement of unidimensional continuous-variable quantum key distribution using heralded hybrid linear amplifier

We propose an improved scheme for unidimensional continuous-variable quantum key distribution (UCVQKD) using heralded hybrid linear amplifier, aiming to simplify the implementation and improve secret key rate. Different from the symmetrical continuous-variable quantum key distribution protocol (CVQKD), this scheme modulates one quadrature of the coherent state with security insurance. The heralded hybrid linear amplifier concatenates a deterministic linear amplifier (DLA) and a noiseless linear amplifier (NLA), which can tune between the high-gain or high noise-reduction for performance enhancement. Security analysis shows that the proposed scheme can be secured under the collective attacks. Compared with traditional UCVQKD involving noiseless amplifier, the security transmission distance of proposed protocol is increased by 24 kilometers. It not only simplifies the modulation process but also has approximate performance with symmetrical CVQKD in terms of maximal security transmission distance.     

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.     

一种基于确定性量子密钥分发误码判据的相位调制器半波电压的精确测定方法

基于相位编码的量子密钥分发系统需要对信息加载的相位调制器的半波电压进行精确的测定以减小量子密钥的误码率,相位调制器半波电压的测量精度直接影响到了量子密钥分发系统的最终误码.本文提出了一种基于确定性量子密钥分发误码率判据的相位调制器半波电压的精确测定方法,所采用相位调制器的半波电压的测量精度达到了2mV,实验结果表明这种方法可以用于量子密钥分发实际应用系统中实时获得不同条件下的行波相位调制器的半波电压以最大程度地减小由于相位信息不准确加载而带来的系统误码.     

基于弱相干态光源的非正交编码被动诱骗态量子密钥分配

基于改造的弱相干态光源,提出了一种非正交编码被动诱骗态量子密钥分配方案.该方案不主动制备诱骗态,而是根据发送端探测器是否响应,将接收端的探测结果分为响应集合和未响应集合,以此分别作为信号态和诱骗态,并利用这两个集合来估计参量和生成密钥.数值仿真表明,非正交编码被动诱骗态方案的密钥生成效率和安全传输距离都优于现有的被动诱骗态方案,且性能非常接近主动无穷诱骗态方案的理论极限值;未响应集合对密钥生成的参与使方案性能免受发送端探测效率的影响,弥补了实际探测器探测效率低下的缺陷;由于不需要主动制备诱骗态,该方案实现非常简单,适用于高速量子密钥分配的场合. 关键词： 量子光学 量子密钥分配 被动诱骗态 密钥生成效率     

Failure of Kak quantum key distribution protocol

Kak’s quantum key distribution (QKD) protocol provides not only the distribution but also the integrity of secret key simultaneously in quantum channel. Consequently the additional exchange of information, used to check whether an eavesdropper exists, is unnecessary. In this comment, we will point out the failure of Kak’s protocol and show that Kak’s protocol does not have the joint distribution and integration that the author declares in [1].     

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}     

Self-referenced continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution

We propose a scheme to remove the demand of transmitting a high-brightness local oscillator (LO) in continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution (CV-MDI QKD) protocol, which we call as the self-referenced (SR) CV-MDI QKD. We show that our scheme is immune to the side-channel attacks, such as the calibration attacks, the wavelength attacks and the LO fluctuation attacks, which are all exploiting the security loopholes introduced by transmitting the LO. Besides, the proposed scheme waives the necessity of complex multiplexer and demultiplexer, which can greatly simplify the QKD processes and improve the transmission efficiency. The numerical simulations under collective attacks show that all the improvements brought about by our scheme are only at the expense of slight transmission distance shortening. This scheme shows an available method to mend the security loopholes incurred by transmitting LO in CV-MDI QKD.