基于混合编码的测量设备无关量子密钥分发的简单协议

测量设备无关量子密钥分发协议移除了所有测量设备的漏洞,极大地提高了量子密钥分发系统的实际安全性,然而,该协议的安全密钥率相比于其他量子密钥分发协议来说仍然是较低的.目前,利用高维编码来提升量子密钥分发协议的性能已经在理论和实验上都得到证明,最近有人提出了基于高维编码的测量设备无关量子密钥分发协议,但是由于所提出的协议对实验设备性能有更高的要求,所以在实际应用上仍然存在许多困难.本文提出一种基于偏振和相位两种自由度的混合编码测量设备无关量子密钥分发协议,并且利用四强度诱骗态方法分析该协议在实际条件下的安全性,最后数值仿真结果表明,该协议在实际条件下40 km和50 km处的最优安全码率相比于原MDI-QKD协议分别提升了52.83%和50.55%.而且,相比于其他基于高维编码的测量设备无关量子密钥分发协议来说,本文提出的协议只要求本地用户拥有相位编码装置和偏振编码装置,探测端也只需要四台单光子探测器,这些装置都可以利用现有的实验条件实现,说明该协议的实用价值也很高.     

50 km无特征源的测量设备无关量子密钥分发实验

测量设备无关量子密钥分发协议可以免疫所有测量端的漏洞，极大地推进量子保密通信的实用化进程。美中不足的是，该协议依然对源端有极强的安全性假设。源端设备的非完美性同样会留下多种侧信道，从而威胁系统的实际安全性。针对此问题，提出无特征源测量设备无关量子密钥分发协议。该协议在量子态制备不完美的情况下依然可以提取出安全的密钥，是理论无条件安全性与实际安全性的完美结合。通过三强度诱骗态方法以及自行研制的Sagnac-Asymmetric-Mach-Zehnder编码结构，成功搭建无特征源的测量设备无关量子密钥分发系统，并在长为50.4 km的光纤信道和25 MHz的系统重复频率下达到1.91×10^-6的安全密钥分发速率。     

一种K分布强湍流下的测量设备无关量子密钥分发方案

研究了K分布强湍流下自由空间测量设备无关量子密钥分发协议模型,采用阈值后选择方法来减少大气湍流对密钥生成率的影响,对比分析了使用阈值后选择方法前后协议的密钥率和湍流强度之间的关系.仿真结果表明,使用阈值后选择方法可以有效地提高协议的密钥生成率,尤其是在高损耗和强湍流区域,而且其最佳阈值与湍流强度、信道平均损耗有关,对实际搭建性能较好的自由空间测量设备无关量子密钥分发协议系统具有一定的参考价值.     

基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配研究

针对量子中继器短时间内难以应用于长距离量子密钥分配系统的问题, 提出了基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配协议, 分析了其密钥生成率与存储效率、信道传输效率和安全传输距离等参数间的关系, 研究了该协议中量子存储单元的退相干效应对最终密钥生成率的影响, 比较了经典测量设备无关量子密钥分配协议和基于量子存储的测量设备无关量子密钥分配协议的密钥生成率与安全传输距离的关系. 仿真结果表明, 添加量子存储单元后, 协议的安全传输距离由无量子存储的216 km增加至500 km, 且量子存储退相干效应带来的误码对最终的密钥生成率影响较小. 实验中可以采取调节信号光强度的方式提高测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率, 为实用量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

基于脉冲位置调制的测量设备无关量子密钥分发（英文）

为了进一步提高测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)系统的传输距离和密钥率,将脉冲位置调制(PPM)技术引入到MDI-QKD中,利用弱光源中的空脉冲和高维编码技术,提出了一种高效的测量设备无关量子密钥分发,即PPM-MDI-QKD协议.协议中,通信双方首先将M个连续的弱脉冲构建成一个PPM帧,然后利用BB84极化编码和PPM编码方案实现高维编码,最后根据合法PPM帧、成功贝尔态测量结果以及匹配基筛选出安全密钥.数值计算结果表明,当光源平均光强小于0.13时,PPM-MDIQKD协议的性能优于MDI-QKD协议;与迄今为止报道的最远404km的MDI-QKD协议相比,在相同条件下,本协议最远传输距离能够达到480km,在404km传输距离上的密钥率可达5.4×10-4 bps.     

几类量子密钥分发协议的比较与分析

本文根据量子密钥分发协议的特点,对近期分别由M. Lucamarini等和马雄峰等提出的两类量子密钥分发协议,即双场量子密钥分发协议(TF-QKD)、相位匹配量子密钥分发协议(PM-QKD)与H.K等提出的测量设备无关的量子密钥分发协议(MDI-QKD)进行多方分析,确定比较基准和分类属性,在同一层次上横向比较了这三种协议在设备实现、诱骗态方法、光子源、干涉测量类型、密钥率、安全性证明等方面的特性,结果表明相位编码能有效提高光脉冲传输稳定性,结合单光子干涉以及相位后补偿方法能够进一步提高密钥生成率。     

基于参量下转换光源的被动测量设备无关量子密钥分配

量子密钥分配过程中制备诱骗态信号易引入一些边信息(频率、脉冲宽度等),窃听者可利用这些信息来分辨信号态和诱骗态。因此,提出了基于参量下转换光源和被动诱骗态方案的测量设备无关量子密钥分配协议,分析了其密钥生成率、单光子计数率以及单光子误码率与安全传输距离的关系。仿真结果表明,基于参量下转换光源的被动测量设备无关量子密钥分配协议的密钥安全传输距离达到285 km,远高于基于改造后可输出两路相关信号的弱相干光源的被动测量设备无关量子密钥分配协议,十分接近基于主动诱骗态的测量设备无关量子密钥分配协议,且克服了主动诱骗态方案可能引入边信息的缺点。     

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.     

标记配对相干态下有限探测器死时间的测量设备无关量子密钥分配

量子密钥分配在实际应用中会受到有限探测器死时间的影响,当信号脉冲发送速率过大时,探测器测量失败的概率增加,安全密钥生成速率降低。对标记配对相干态光源下测量设备无关量子密钥分配的有限探测器死时间问题进行了分析。研究并仿真了安全密钥生成速率与信号发送速率的关系。考虑探测器死时间时,基于标记配对相干态光源的测量设备无关量子密钥分配协议的安全密钥生成速率比基于弱相干光源的测量设备无关量子密钥分配协议的安全密钥生成速率高。分析了有限探测器死时间τ分别为50,100,150 ns时安全密钥生成速率的情况。结果表明,有限探测器死时间越大,安全密钥生成速率的极限值越低。安全密钥生成速率的极限与有限探测器死时间的关系为8.1×10³/τ。     

非对称信道传输效率的测量设备无关量子密钥分配研究

测量设备无关量子密钥分配方案可以移除所有的探测器侧信道漏洞,通过结合诱骗态方案可以生成无条件安全的密钥.本文研究了非对称信道传输效率下三强度诱骗态测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率与信道传输损耗的关系,比较了对称信道传输效率和非对称信道传输效率下的距离比率对单边传输效率、单光子误码率和量子密钥生成率的影响,仿真结果表明随着信道不匹配度逐渐增加,可容忍信道传输损耗由对称信道情形下的62 dB分别降至38 dB(距离比率为0.5)和17 dB(距离比率为0.1),能够安全提取密钥的可容忍传输损耗下降较快,密钥生成率的安全传输距离也随之降低.实验中可以采取调节信号光强度的方式提高非对称传输效率下测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率,为实用的量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

标记单光子源在量子密钥分发中的应用

本文主要介绍标记单光子源的制备、特性,及其在3种主流量子密钥分发(BB84,测量设备无关,双场)协议中的应用与发展,同时通过对比标记单光子源和基于弱相干态光源在同类协议中的性能,分析讨论不同光源的优缺点.此外,针对双场量子密钥分发协议中对单光子干涉特性的要求,分析了标记单光子源在双场协议应用中的局限性,并讨论了可能的解决方案,对今后发展实用化量子保密通信系统将起到有价值的指导和推进作用.     

基于量子存储和纠缠光源的测量设备无关量子密钥分配网络

针对传统量子密钥分配协议安全密钥传输距离较短,难以实现长距离量子保密网的问题,提出了基于量子存储和纠缠光源(EPS)的测量设备无关量子密钥分配协议及其网络模型。比较了直接预报量子存储、非直接预报量子存储与基于EPS的量子存储的优劣,分析了基于量子存储和EPS的测量设备无关量子密钥分配系统中密钥生成率与安全传输距离、存储器量子态保持时间的关系。仿真结果表明,基于EPS的量子存储方案弥补了直接预报量子存储方案需要预报存储器的不足,安全传输距离远高于非直接预报量子存储方案,且当存储器的量子态保持时间T_1大于1 ms时,量子密钥生成率基本不再随T_1增大而增大。实验中采用双信道两用户网络模型,实际中可通过时分复用器和快速光开关实现单信道多用户的量子密钥分配网络。     

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.     

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.     

基于指示单光子源的非对称信道量子密钥分配

针对传统的量子密钥分配协议未考虑非对称信道的问题,研究了基于指示单光子源的非对称信道的测量设备无关量子密钥分配协议的性能参数。主要分析了协议中的平均光子数、单边传输效率、密钥生成率与信道传输损耗之间的关系。比较了指示单光子源下,对称信道与非对称信道的测量设备无关量子密钥分配协议的性能优劣。仿真结果表明,随着信道传输损耗的增大,密钥生成率和安全传输距离逐渐减小,但非对称信道的性能仍优于对称信道的性能。     

基于标记配对相干态的量子密钥分配协议的统计涨落分析

为了更加全面分析测量设备无关量子密钥分配协议,对基于标记配对相干态的测量设备无关量子密钥分配协议进行了统计涨落分析。首先分析了当光源在统计涨落时,随着发送信号脉冲数的增加,误码率和密钥生成率与传输距离的关系。结果表明,增加脉冲数能增大密钥生成率和最大传输距离,降低误码率,且基于标记配对相干态的协议性能比基于指示单光子源的协议性能要好。进一步分析了光源在统计涨落时,基于标记配对相干态的测量设备无关量子密钥分配协议在非对称信道中的密钥生成率与传输距离的关系,由仿真结果得知,非对称信道时的性能比对称信道时的性能好。     

基于奇相干光源非对称信道的量子密钥分配协议

针对传统量子密钥分配协议使用非理想单光子源会带来密钥生成率过低的问题,对光源进行优化,以奇相干光源代替传统弱相干光源,提出了基于奇相干光源非对称信道的测量设备无关量子密钥分配协议。在奇相干光源下,对比了对称信道和非对称信道测量设备无关量子密钥分配协议的性能优劣。分析了该协议中密钥生成率、单边效率与信道损耗之间的关系。仿真结果表明,奇相干光源的引入弥补了传统光源的不足,多光子数大大减少。随着信道损耗的增加,密钥生成率降低,但非对称信道的性能仍高于对称信道的。     

基于标记配对相干态和轨道角动量的量子密钥分配

针对标记配对相干态(HPCS)下量子密钥分配协议采用极化编码和相位编码带来基的依赖性问题,研究了基于HPCS和轨道角动量(OAM)的非对称信道测量设备无关的量子密钥分配协议。分析了该协议在不同距离比率下的平均光子数、误码率、密钥生成率与信道传输损耗的关系。在HPCS和OAM下,对比了对称信道和非对称信道测量设备无关的量子密钥协议的性能优劣。仿真结果表明:采用HPCS弥补了弱相干光源和标记单光子源的不足,大大减少真空脉冲并增加了单光子脉冲;随着信道传输损耗的增大,密钥生成率和安全传输距离逐渐减小,但非对称信道的性能仍优于对称信道的。     

实用化量子密钥分发光网络中的资源优化配置

在大规模量子通信网络应用研究中,人们一般通过构建虚拟业务网络并将其映射到实际物理空间来实现资源的分配.在该映射过程中,为简化模型常常做一些假设,比如假定物理拓扑中的密钥资源为某一固定值,即忽略实际物理条件以及不同协议对密钥供给带来的性能差异.这种忽略实际物理条件的假设可能导致该网络在实际应用中无法正常运行.为解决以上问题,本文从链路映射的角度出发,以量子密钥分发光网络为底层网络,提出了改进的虚拟业务映射模型和虚拟业务映射算法,使其更加接近于实际应用场景.一方面通过增加地理位置的约束,对虚拟节点到可映射的物理节点范围做合理限制;另一方面,从硬件成本和实际密钥生成速率角度出发,提出了性价比的评估指标对资源进行分配管理.此外,我们通过结合3种主流的量子密钥分发协议(BB84、测量设备无关、双场),构建了普适的虚拟业务在量子密钥分发光网络中的映射模型,实现了最优协议的推荐和资源的优化配置管理.     

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。