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.     

基于双偏振分束器的量子密钥分发系统

提出了利用两个偏振分束器的量子密钥分发系统，有效地解决了相位调制器的偏振依赖性问题. 以1310nm波长在通信距离为25km的光纤中实现了高密钥生成率，干涉对比度99.4%. 有效密钥生成率大于0.6kbit/s, 误码率0.5%. 关键词： 量子密钥分发 偏振分束器 单光子干涉     

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.     

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     

时间抖动对相位编码量子密钥分发系统量子误码率的影响

就时间抖动对相位编码量子密钥分发(QKD)系统量子误码率(QBER)的影响进行了系统的分析,建立了相位编码QKD系统量子误码率和时间抖动关系的物理模型,给出了单光子脉冲的一般波形函数和量子误码率之间的关系.针对高斯脉冲分布,导出了时间抖动引起的相位编码QKD系统的量子误码率与脉冲宽度和时间抖动分布参数之间的定量关系.得...     

运行双协议相位调制的量子密钥分发系统

基于差分编码方式提出一种改进方案.在Alice端用光纤马赫-曾德干涉仪产生双脉冲差分信号；在Bob端，用双法拉第反射式麦克尔逊干涉仪代替光纤马赫-曾德干涉仪，这种干涉仪能自动补偿环境引起的偏振抖动和光纤双折射引起的相位漂移，从而提高系统稳定性.双协议(即双脉冲差分协议联合BB84协议)的使用，增强了系统的安全性.该系统具有高效、安全、简洁、稳定等优点，在实验上实现了长期稳定的密钥分发和量子保密通信，误码率<5%，传输距离达80km.     

量子密钥分发实验中偏振分束器的研究

量子密钥分发是量子信息论中发展最快、最接近实用化的领域,偏振分束器是量子密钥分发系统中重要的组成部分,对分束器的经典分析和量子分析得出了完全一致的结果.     

基于量子催化的离散调制连续变量量子密钥分发

相比于离散变量量子密钥分发,连续变量量子密钥分发虽然具备更高的安全码率等优势,但是在安全传输距离上却略有不足.尽管量子催化的运用对高斯调制连续变量量子密钥分发协议的性能,尤其在安全传输距离方面有着显著的提升,然而能否用来改善离散调制协议的性能却仍然未知.鉴于上述分析,本文提出了一种基于量子催化的离散调制协议的方案,试图在安全密钥率、安全传输距离和最大可容忍过噪声方面进一步提升协议性能.研究结果表明,在相同参数下,当优化量子催化引入的透射率T,相比于原始四态调制协议,所提方案能够有效地提升量子密钥分发的性能.特别是,对于可容忍过噪声为0.002,量子催化可将安全通信距离突破300 km,密钥率为10^-8bits/pulse,而过大的可容忍噪声会抑制量子催化对协议性能的改善效果.此外,为了彰显量子催化的优势,本文给出了点对点量子通信的最终极限Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi边界,仿真结果表明,虽然原始方案与所提方案都未能突破这种边界,但是相比于前者,后者能够在远距离通信上逼近于这种边界,这为实现全球量子安全通信的最终目标提供理论依据.     

基于超纠缠交换的量子密钥分发

给出一种基于超纠缠交换的量子密钥分发方案，这个方案可以同时产生确定密钥和随机密钥，并且它的安全性不受任何损害.这个方案只需要一对在空间(路径)模式和极化模式上超纠缠的光子就能获得4 bit的密钥(2 bit随机密钥和2 bit确定密钥).在目前的实验条件下，这个方案可以通过线性光学来实现. 关键词： 量子密钥分发 超纠缠 线性光学     

基于六光子量子避错码的量子密钥分发方案

量子信道中不可避免存在的噪声将扭曲被传输的信息,对通信造成危害。目前克服量子信道噪声的较好方案是量子避错码（QEAC）。将量子避错码思想用于量子密钥分发,能有效克服信道中的噪声,且无需复杂的系统。用六光子构造了量子避错码,提出了一种丛于六光子避错码的量子密钥分发（QDK）方案。以提高量子密钥分发的量子比特效率和安全性为前提,对六光子避错码的所有可能态进行组合,得到一种六光子避错码的最优组合方法,可将两比特信息编码在一个态中,根据测肇结果和分组信息进行解码,得到正确信息的平均概率为7／16。与最近的基于四光子避错码的克服量子信道噪声的量子密钥分发方案相比,该方案的量子比特效率提高了16．67％,密钥分发安全性足它的3．5倍。     

1550 nm单模光纤中的量子密钥分配

从实验中实现了红外波段的远程量子密钥分配。系统采用双不等臂M-Z干涉仪相位编码方式,工作波长为1550nm。通过分析量子密钥分配系统传输距离与误码率之间相互关系,给出了理论上理想不等臂M-Z系统与实际系统的最低误码率与传输距离间的关系,以及系统实测传输距离与误码率的关系。实验结果显示,本密钥分配系统已非常接近理想实验系统的性能。     

Phase-Matching Quantum Key Distribution with Discrete Phase Randomization

The twin-field quantum key distribution (TF-QKD) protocol and its variations have been proposed to overcome the linear Pirandola–Laurenza–Ottaviani–Banchi (PLOB) bound. One variation called phase-matching QKD (PM-QKD) protocol employs discrete phase randomization and the phase post-compensation technique to improve the key rate quadratically. However, the discrete phase randomization opens a loophole to threaten the actual security. In this paper, we first introduce the unambiguous state discrimination (USD) measurement and the photon-number-splitting (PNS) attack against PM-QKD with imperfect phase randomization. Then, we prove the rigorous security of decoy state PM-QKD with discrete phase randomization. Simulation results show that, considering the intrinsic bit error rate and sifting factor, there is an optimal discrete phase randomization value to guarantee security and performance. Furthermore, as the number of discrete phase randomization increases, the key rate of adopting vacuum and one decoy state approaches infinite decoy states, the key rate between discrete phase randomization and continuous phase randomization is almost the same.     

湍流大气对量子密钥分布系统性能的影响

自由空间量子密钥分布系统是全球性量子保密通信的关键组成部分之一。因此研究湍流大气信道对量子密钥分布系统性能的影响就非常重要。使用光束近场传播和统计分析的方法定量分析了湍流大气信道对基于BB84协议的自由空间量子密钥分布系统的误码率的影响。数值计算结果表明,大气衰减系数超过-3dB/km时,大气衰减对量子密钥分布系统的误码率影响很大;在大气传输因子小于0.5的区域,系统误码率比无湍流影响时的系统误码率高出一个数量级。     

大气导致的脉冲展宽对星载量子密钥分发的影响

分析比较了星地量子密钥分发系统中由于大气湍流和大气色散导致的脉冲展宽。分别推导了大气湍流和色散效应下脉冲展宽比。根据大气压强和温度与海拔间的实测数据,计算了到达脉宽与不同初始脉宽、工作波长、链路天顶角的关系。并根据到达脉宽计算了系统背景噪声量。数值模拟结果表明：当工作波长为1.06 μm,初始脉宽为15 fs时,到达脉宽有最小值。对于不同的链路天顶角,在无月晴朗的星空,探测器探测到的背景噪声约为1.9×10-10~2.7×10-10,而误码率约为0.5×10-5。     

预报单光子源诱骗态量子密钥产生率及数值计算

独立推导预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率计算公式,讨论密钥产生率和发送端探测效率的关系;进行弱相干光和预报单光子源诱骗态量子密钥分发的最优强度估计和密钥产生率数值计算.结果表明,预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率随着发送端探测效率的增加而增加,其安全通信距离与完美单光子源的通信距离一致;诱骗态量子密钥分发可提高安全通信距离和密钥产生率;预报单光子源由于减少了暗计数的影响,进一步提高了安全通信距离.     

Quantum Key Distribution Scheme Based on Dense Encoding in Entangled States

A quantum key distribution protocol, based on the quantum dense encoding in entangled states, is presented. In this protocol, we introduce an encoding process to encode two classical bits information into one of the four one-qubit unitary operations implemented by Alice and the Bell states measurement implemented by Bob in stead of direct measuring the previously shared Einstein-Podolsky-Rosen pairs by both of the distant parties, Alice and Bob. Considering the practical application we can get the conclusion that our protocol has some advantages. It not only simplifies the measurement which may induce potential errors, but also improves the effectively transmitted rate of the generated qubits by the raw key. Here we also discuss eavesdropping attacks against the scheme and the channel loss.     

量子密码通信中量子比特率理论分析

在量子密钥分配中,量子比特率是一个重要的系统参数。通过引入测量因子和筛选因子,建立了基于理想单光子源和泊松分布单光子源的量子比特率理论模型,给出了量子比特率的表达式,并对两种单光子源进行了比较分析。结果表明,当平均光子数大于1时,泊松分布单光子源能被优化。在发射机脉冲重复率一定的条件下,采用泊松分布单光子源无法达到理想单光子源的量子比特率,这是为保密通信所必须付出的代价。     

Advances in Chip-Based Quantum Key Distribution

Quantum key distribution (QKD), guaranteed by the principles of quantum mechanics, is one of the most promising solutions for the future of secure communication. Integrated quantum photonics provides a stable, compact, and robust platform for the implementation of complex photonic circuits amenable to mass manufacture, and also allows for the generation, detection, and processing of quantum states of light at a growing system’s scale, functionality, and complexity. Integrated quantum photonics provides a compelling technology for the integration of QKD systems. In this review, we summarize the advances in integrated QKD systems, including integrated photon sources, detectors, and encoding and decoding components for QKD implements. Complete demonstrations of various QKD schemes based on integrated photonic chips are also discussed.