泡沫覆盖不规则海面的非均匀空-水信道量子密钥分发

针对空-水量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD),综合考虑海风影响、泡沫覆盖的不规则海面、空-水信道复杂多变性和量子偏振态多重散射过程,建立了非均匀空-水信道复合模型。据此完善了空-水QKD系统量子误码率理论模型,并采用偏振矢量蒙特卡罗算法模拟,详细分析了不同海洋环境下非均匀空-水信道光量子传输性能,及空-水QKD整体传输性能。结果表明:清澈海水条件下的非均匀空-水信道可实现水下百米量级的密钥分发,但风速和传输距离的增大都会导致光子退偏比增大,保真度减小,偏振误码率增加;同时风速和泡沫层厚度的增大也会造成空-水QKD系统量子误码率上升,密钥生成率和传输距离下降,且随信号波长的增加这两者也会增加,在波长为532 nm,信道由最佳(无风无泡沫)变至最差(暴风且泡沫层为6 cm)时,水下传输距离由120. 8 m缩减至85 m,基本能保障水下航行器百米级的安全潜深,而采用拖拽浮标等措施又可进一步增加空-水QKD的安全距离。由此验证了泡沫覆盖不规则海面下非均匀空-水信道诱骗态QKD的可行性,对未来空-水一体量子通信链路的实现具有参考价值。     

诱惑态量子密钥分配系统中统计涨落的研究

针对实用的量子密钥分配(QKD)系统是基于强衰减的弱激光脉冲作为单光子源, 光子数分束攻击极大限制了通信双方在非理想条件下QKD的传输距离和密钥生成率,采用大数定律对诱惑态协议中单光子的计数率、单光子增益和误码率分别进行统计涨落分析, 利用双诱惑态比较了1310 nm和1550 nm条件下,编码脉冲的长度为(N = 10⁶-N = 10¹²)实际QKD协议中密钥的生成率与安全传输距离之间的关系、安全传输距离随编码长度的变化的关系, 得出脉冲编码长度增大到N = 10¹²时,密钥的最大安全传输距离为135 km.     

量子密钥分配系统中的通信速率和误码率

基于通信速率和误码率在量子保密通信研究中的重要性, 采用1.55 μm上转换单光子探测器, 分析其量子效率随抽运功率的变化关系, 得出1.55 μm上转换单光子探测器较传统的铟镓砷二极管具有较高的量子效率和较低暗计数的优势, 并根据通信距离、上转换单光子探测器的量子效率和暗计数之间建立一种平衡, 得出每种距离上探测器的优化方案; 在考虑个体攻击无量子记忆的条件下, 比较BB84协议, BBM92协议和差分相移协议的量子密钥分配(QKD)系统的安全通信速率和误码率随通信距离的变化关系, 得出了差分相移键控协议的量子密钥分配系统是一个非常实用的, 通信距离大于200 km的很有吸引力的长距离量子密钥分配系统。     

覆盖泡沫粗糙海面的激光散射特性研究

对潜通信及对潜探测中蓝绿激光将穿透海水表面,大气/海水界面由于风速及其他外力作用而呈现复杂状况,将影响蓝绿激光在界面的传输特性。针对泡沫-海面复合模型,采用矢量辐射传输理论、米氏理论以及粗糙面散射理论对泡沫海面的散射特性进行了分析。采用基尔霍夫近似针对JONSWAP海谱,讨论了泡沫海面在蓝绿激光波段的后向散射系数与入射角、风速、风区以及海水温度、含盐度等参量的关系。结果表明:随着海面上方风速、风区及介电常数的增大,泡沫层对海面的激光散射具有相当大的影响,尤其是在入射角度较大的状态下。     

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.     

联合调制量子密钥分配系统

本文提出了一种对每一个单光子信号进行相位和偏振两种 编码调制的联合调制量子密钥分配(QKD)系统. 结合复合QKD系统的双速协议, 本文给出了在理想情形下可以通过一个信号光子生成两比特密钥的QKD协议, 明显提高了QKD协议的内禀光子利用率. 在稳定性方面, 本文发展了联合调制的Michelson型QKD系统, 从而在原理上解决了联合调制QKD系统的稳定性问题. 关键词： 量子密钥分配 双速协议 联合调制 量子密钥分配系统的稳定性     

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.     

光子数分束攻击对星地量子密钥分配系统安全的影响

由于仪器设备性能的不完美和信道传输损耗的存在,光子数分束(PNS)攻击对采用弱相干脉冲(WCP)光源的量子密钥分配(QKD)系统的安全性构成重大威胁.以基于WCP光源的星地QKD系统为研究对象,推导了在PNS攻击者采用最佳窃听策略进行窃听时,保证密钥绝对安全的最大天顶角和可采用的平均光子数之间的关系.理论分析和计算结果表明,星地QKD系统的最大安全传输天顶角和可使用的平均光子数等重要系统参数的取值上限均受PNS攻击的限制,最终系统的密钥交换速率和系统容量受到限制.对星地QKD系统的传输容量来说,天顶角和平均光子数是一对矛盾的影响因素.提供了一种对实际星地QKD系统的天顶角和平均光子数参数进行估算的方法.     

奇相干光源的测量设备无关量子密钥分配研究

刻画了奇相干光源的光子数分布特征,研究了奇相干光源下诱骗态测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率与安全传输距离的关系,推导了奇相干光源下的计数率下界和误码率上界.仿真结果表明,奇相干光源光子数分布中多光子脉冲的比例低于弱相干光,可以有效提高诱骗态测量设备无关密钥分配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.     

基于弱相干光的实际QKD系统的安全性研究

实际量子密钥分发系统使用的单光子源主要是由弱激光脉冲经衰减得到。它不是理想单光子源而是服从泊松分布的准单光子源。每个非空光脉冲中包含多光子的概率不为零,强大的窃听者可利用此获得一些关于最终密钥的信息。因此,有必要研究实际QKD系统的安全性。采用对多光子进行分束窃听、单光子最佳攻击相结合的方案,用Shannon信息理论分析了基于弱相干光的实际QKD系统的安全性。研究结果表明实际QKD系统对于分束窃听和最佳攻击是安全的,并给出合法通信双方在该攻击方案下所容忍的误码率上限。     

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.     

气泡/泡沫覆盖粗糙海面电磁散射的修正双尺度法研究

提出了风驱粗糙海面覆盖水气泡层的‘体-面’复合模型.基于修正的双尺度粗糙面散射理论、MIE理论和矢量辐射传输理论,比较了水气泡与实心水粒子的电磁散射特性的差异,分析了海面泡沫覆盖率与风速、气-海温差的关系.在有、无泡沫层情形下,采用高斯和经验海谱,讨论了单站、双站散射系数与入射角、方位角、风速、风向、极化等参量的关系,并将数值计算的结果与相关文献的测量值进行了比较和分析. 关键词： 电磁散射 海面复合模型 修正双尺度法 MIE     

1.55 μm升频单光子探测量子密钥分配系统的性能研究

分析了1.55 μm升频单光子探测量子密钥分配(QKD)系统的性能,讨论了升频单光子探测器的主要参数：量子效率和暗计数与抽运功率的关系.比较了BB84协议、BBM92协议和DPSK协议的光纤QKD系统的性能：安全通信速率与距离的关系,通过比较得出升频探测器优于传统的InGaAs/InP雪崩二极管单光子探测器,用升频探测器后的通信距离能比传统的大两倍以上,能很好改善量子通信系统的性能. 关键词： 量子效率 通信速率 暗计数     

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     

基于单光子计数反馈的低噪声光纤信道波分复用实时偏振补偿系统

光纤信道由于受环境影响产生的随机双折射等物理效应使得在其中传输的光信号具有敏感的偏振变化,严重影响了偏振编码量子密钥分发系统的性能.本文提出了一种利用单光子计数作为反馈信号的低噪声光纤信道波分复用实时偏振补偿系统,该系统通过探测共轭参考光的光子计数得到光纤信道偏振变化信息,设计补偿算法控制电动偏振控制器实时校准对应偏振基下量子信号光的偏振态,成功实现了稳定的光纤信道偏振补偿.为验证补偿系统的有效性,进行了传输距离为25.2 km的基于BB84协议的量子密钥分发测试,在实验室环境和模拟城域网地埋光纤环境下得到了长达8 h的稳定测试结果,平均量子比特误码率分别为0.52%和1.25%.该实验结果表明本系统可在城域网地埋光纤环境下保障偏振编码量子密钥分发的稳定工作.     

偏振稳定控制下的量子密钥分发

由于长距离单模光纤传输中存在的双折射效应会引起偏振随机抖动，光纤中利用偏振编码进行量子密钥分发一直难以实现.利用光子计数分析光纤中的偏振变化情况，并通过反馈控制的方式补偿偏振变化，从而实现了基于BB84协议的偏振编码长时间稳定的量子密钥分发实验，传输距离为100km. 关键词： 量子密钥分发 偏振反馈控制 单光子探测 偏振随机抖动     

高稳定的差分相位编码量子密钥分发系统

在差分法基础上提出了一种改进的差分相位编码量子密钥分发(QKD)方案.Alice采用脉冲激光光源,通过两个串联光纤延迟环产生四个均匀的相干脉冲，并对脉冲进行差分调制，补偿了传输过程中环境对偏振的扰动.Bob采用双FM干涉仪,在窄脉冲门控模式下进行单光子探测.单程传输避免了木马攻击，增强了方案的安全性.实验结果表明，系统可以长期稳定运转(大于24h)，误码率为3％.改进的系统具有高效、稳定、低成本的优点，实施方便，有很好的实用价值. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 差分相位编码     

量子密钥分发中分束器攻击和瑞利散射的解决方案

实用被动调制量子密钥分发系统中分束器存在波长依赖性,窃听者据此攻击分束器,以获取密钥信息并且不被发现,而且光纤中存在瑞利散射导致误码率增大。文中提出波分复用器方案来保障量子密钥分发的安全性,并且通过双波长交叉传递来降低误码率。方案中借助于波分复用器将不同波长的光子进行分离,只对部分波长的光子进行偏振测量,Alice和Bob可以通过公共信道分析误码率和收益,得出是否存在窃听者。     

基于湍流球泡折射的空间量子密钥分发性能分析

为了研究大气湍流对自由空间量子密钥分发的性能影响,将大气湍流建模为空间中随机分布的空气球泡,利用几何光学原理分析单光子在湍流球泡中的传播,定量计算了经过两次折射后由于偏振态变化造成的光子透射率比值k和误码率Ep的起伏,利用蒙特卡洛方法模拟了湍流折射率随机变化时二者的趋势;最后推导了经过湍流折射后的诱骗态空间量子密钥分发成码率公式并通过分析误码来源得到满足成码率需要的k值上限,建立偏振误码率与入射角和湍流折射率的关系并得到Ep的安全阈值.仿真结果表明当入射角在44.8°~76.5°,湍流折射率在1~1.33范围内可以满足误码率的上限约束.该研究为湍流条件下进行空间量子通信实验提供了理论参考.     

光纤色散与损耗对光量子密钥分发系统的影响

运用量子薛定谔方程，通过计算传输光场干涉强度和分析量子密钥分发系统的误码率，研究了光纤色散和损耗对量子密钥分发系统误码率的影响.研究表明，在目前的基于光纤的量子密钥分发系统中，选择色散位移光纤并以损耗最小波长1.55 μm为工作波长，同时缩短脉冲宽度，可以有效提高量子密钥系统的传输距离. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 光纤色散 光纤损耗