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...     

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.     

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     

大学本科量子密钥分发实验课程探索

量子信息技术因其卓越的特性而受到高度重视,被认为是未来信息技术发展的必然趋势,而具备量子物理背景的专业人才培养就显得极为重要.但是,由于量子信息技术具有抽象性、交叉性、前沿性和复杂性等特点,针对本科生开展相关实验教学具有一定挑战.中山大学从2018年开始在该方面进行了初步探索,针对高年级本科生开设了量子密钥分发等实验课程.本文基于笔者的教学工作,对量子密钥分发实验课程进行了介绍,探讨了其中的难点以及解决方案,希望通过本文探讨,能够对量子信息技术的教学工作有一定帮助.     

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。     

量子密钥分发中Cascade协议的一种改进方案

密钥协商是量子密钥分发(QKD)中的重要组成部分.Cascade协议是实际中使用最广泛的量子密钥协商协议.本文基于[6]的工作提出一种对Cascade协议的改进方案.计算机仿真显示我们的方案比原始Cascade和一些其它改进方案有更高的效率.     

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     

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。     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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