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.     

基于六态协议的实际QKD系统的窃听问题研究

基于实际量子密钥分配系统中所使用的强衰减的激光脉冲不是单光子，量子密钥分配的信道不是无损耗的，光子计数器存在探测效率和暗计数以及窃听者的技术能力也不是无限的这些具体问题.采用了分束与Breidbart基相结合的窃听策略讨论了窃听问题并给出了合法用户在筛选后的密钥中所能容忍的误码率上限公式. 关键词： 量子密钥分配 六态协议 光子数统计分布 Breidbart基窃听     

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.     

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。     

基于伪态协议的量子密钥分配系统研究

采用包含两个伪态和一个信号态的双伪态协议分析了量子密钥分配系统的性能,比较了双伪态（真空态—弱伪态）和单伪态协议条件下密钥生成率与通信距离的关系,分析了信号态的强度、量子比特误码率、单光子的增益和单光子的误码率对系统密钥生成率的影响,得出密钥生成率的最优化条件,为实现实用安全的量子密钥分配系统奠定理论基础. 关键词： 伪态协议 量子密钥生成率 量子比特误码率     

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。     

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。     

Performance optimization for quantum key distribution in lossy channel using entangled photons

In quantum key distribution(QKD), the times of arrival of single photons are important for the keys extraction and time synchronization. The time-of-arrival(TOA) accuracy can affect the quantum bit error rate(QBER) and the final key rate. To achieve a higher accuracy and a better QKD performance, different from designing more complicated hardware circuits, we present a scheme that uses the mean TOA of M frequency-entangled photons to replace the TOA of a single photon. Moreover, to address the problem that the entanglement property is usually sensitive to the photon loss in practice,we further propose two schemes, which adopt partially entangled photons and grouping-entangled photons, respectively.In addition, we compare the effects of these three alternative schemes on the QKD performance and discuss the selection strategy for the optimal scheme in detail. The simulation results show that the proposed schemes can improve the QKD performance compared to the conventional single-photon scheme obviously, which demonstrate the effectiveness of the proposed schemes.     

复合量子密钥分发系统双速协议及其安全性分析

基于真空光速c是极限信号速度这一基本假设,提出了复合量子密钥分发(QKD)系统和双速协议,并证明双速协议的安全性与原BB84协议的安全性相同.结果表明,双速协议在将量子密钥生成效率从50%提高到100%的同时,还降低了窃听者Eve可能得到的信息量.双速协议由于打破了公开讨论之前Bob和Eve的对等地位,使QKD在概念上有了明显的改进,使协议基的选择空间有了本质性的扩充.具体给出了三个双速协议的实例,并详细分析了它们在截取重发攻击下的安全性 关键词： 量子密码 光纤量子密钥分发 双速协议     

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。     

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.     

基于旋光-双反射结构的星载量子密钥分发精跟踪系统控制算法研究

研究了旋光-双反射结构作为星载量子密钥分发终端的精跟踪系统时的反射光偏振态保持情况,分析了反射光面(由入射光和反射光适量确定)不一致导致的反射光子偏振态变化情况,并计算了此时可能引入的量子误码率。根据双反射结构的特点,给出了两个反射镜法线方向与入射光、出射光矢量之间的关系,并据此提出了旋光-双反射结构的卫星精跟踪系统控制算法。     

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。     

Free-Space QKD with Modulating Retroreflectors Based on the B92 Protocol

Free-space quantum key distribution (QKD) has attracted considerable attention due to its lower channel loss and link flexibility. It allows two participants share theoretical unconditional secure keys, and can potentially be applied to air-to-ground quantum communication to establish a global quantum network. Free-space QKD using modulating retro-reflectors (MRR-QKD) significantly reduces the pointing requirement and simplifies the structure of the mobile terminal, therefore making it suitable for lightweight aircraft such as unmanned aerial vehicle and Cubesat, etc. Based on intensity modulation of two non-orthogonal states and the B92 protocol, we proposed a scheme to improve the previous work (Optics Express 2018, 26, 11331). Our scheme simplifies the optical structure and shows more robustness in equipment imperfection. The analysis and simulation show that the number of multiple quantum well modulators needed in our scheme decreases from eight to three with similar performance. Additionally, while the previous scheme cannot work due to low modulator extinction ratio or high optical misalignment, our scheme can still operate.     

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.     

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.     

Security of a practical semi-device-independent quantum key distribution protocol against collective attacks

Similar to device-independent quantum key distribution(DI-QKD), semi-device-independent quantum key distribution(SDI-QKD) provides secure key distribution without any assumptions about the internal workings of the QKD devices.The only assumption is that the dimension of the Hilbert space is bounded. But SDI-QKD can be implemented in a oneway prepare-and-measure configuration without entanglement compared with DI-QKD. We propose a practical SDI-QKD protocol with four preparation states and three measurement bases by considering the maximal violation of dimension witnesses and specific processes of a QKD protocol. Moreover, we prove the security of the SDI-QKD protocol against collective attacks based on the min-entropy and dimension witnesses. We also show a comparison of the secret key rate between the SDI-QKD protocol and the standard QKD.     

Data encryption based on a 9D complex chaotic system with quaternion for smart grid

With the development of smart grid, operation and control of a power system can be realized through the power communication network, especially the power production and enterprise management business involve a large amount of sensitive information, and the requirements for data security and real-time transmission are gradually improved. In this paper, a new 9-dimensional (9D) complex chaotic system with quaternion is proposed for the encryption of smart grid data. Firstly, we present the mathematical model of the system, and analyze its attractors, bifurcation diagram, complexity, and 0-1 test. Secondly, the pseudo-random sequences are generated by the new chaotic system to encrypt power data. Finally, the proposed encryption algorithm is verified with power data and images in the smart grid, which can ensure the encryption security and real time. The verification results show that the proposed encryption scheme is technically feasible and available for power data and image encryption in smart grid.