一种基于有限密钥和诱骗态的双场量子密钥分发协议

量子保密通信技术为电力业务数据传输提供端到端的信息安全保障,双场量子密钥分发(Twin-field Quantum Key Distribution,TF-QKD)可实现无量子中继器的远程安全通信,但其安全性是基于无限密钥的假设。为解决现实场景中量子密钥有限和光子源不稳定的情形,提出一种基于有限密钥和诱骗态的双场量子密钥分发协议。在协议中采用诱骗态法和无替换的随机抽样法估计相位错误率,并利用Azuma不等式对协议进行安全性分析,验证了在不稳定光子源强度波动下协议的可组合安全性。数值模拟表明所提协议在不稳定光子源强度波动下得到的秘密密钥率可以超过线性密钥率的界线,且当信号脉冲数量较小时,强度波动对协议密钥率有显著影响。

双场量子密钥分发协议的相位离散化分析

在传统的双场量子密钥分发(TF-QKD)协议中,需要相干光源所添加的随机相位是连续的。然而在现实条件中,这样的假设经常无法满足,由此会降低协议的实际安全性。针对此问题提出了一种在测试模式和编码模式下具有随机相位离散化特征的TF-QKD协议,并使用了离散随机相位情况下的诱骗态方法进行分析。仿真结果表明,只需要少量的离散相位,随机相位离散化TF-QKD协议的密钥速率也可以超过密钥速率容量界,从而为TF-QKD协议的实际应用提供参考。

连续变量量子密钥分发技术研究进展

量子密钥分发作为新一代通信技术,能够实现理论上无条件安全的通信过程。基于连续变量的量子密钥分发具有理论安全码率更高、探测成本低、更易与现有光通信兼容等优势而受到广泛关注。该文对连续变量量子密钥分发的基本原理进行介绍,对高斯调制相干态协议和最新实验进展进行概括总结,并对连续变量量子密钥分发的未来发展进行展望。

相位匹配量子密钥分发协议统计波动分析

相位匹配协议是双场量子密钥分发协议的一种,能突破密钥容量限制且安全性得到了理论和实践的证明。针对实际应用中数据有限长效应产生的不良影响,系统地分析了相位匹配协议统计波动性能;利用高斯分析和切诺夫−霍夫丁界等统计波动分析方法,结合线性规划对相关参数进行估计,分别对不同数据长度情况下三诱骗态及二诱骗态相位匹配协议的性能进行了仿真分析。仿真结果表明:考虑统计波动的相位匹配协议仍能突破线性密钥容量的限制,在数据长度达到10^(16)量级时,密钥生成率和最大安全传输距离均接近理想值;在数据长度小于等于10^(13)时,增加诱骗态并不能显著提升相位匹配协议性能;随着数据长度的增加,采用切诺夫−霍夫丁界系统性能逐渐趋近采用高斯分析法的系统性能。

实用化态制备误差容忍参考系无关量子密钥分发协议

在实际量子密钥分发系统中,实际器件不理想可能导致系统存在安全性隐患.比如,光源端的编码设备不理想,可能导致量子态存在误差;探测端的探测器存在缺陷,可能产生后脉冲或死时间效应,从而影响系统的实际安全性.因此,本文提出了一种同时考虑光源端和探测器缺陷的实用化态制备误差容忍参考系无关量子密钥分发协议.本文采用三强度诱骗态方案开展建模分析与数值仿真计算.本协议通过利用虚拟态方法估算相位误码率,降低了态制备误差对密钥率的影响;同时对探测器端的缺陷进行相应参数刻画,具有较强的鲁棒性,为参考系无关量子密钥分发协议的实际应用提供了重要参考价值.

双场干涉量子密钥分配协议及其改进综述

量子密钥分配(Quantum Key Distribution,QKD)协议最早于1984年提出,目的是寻找目前安全性已经受到威胁的非对称加密算法的替代方案。量子密钥分配协议相较于之前的密钥传输方案,其独特的窃听敏感性和近似一次一密的特性使之吸引全球密码通信科研人员的目光。在已有的量子密钥分配协议中,安全成码率和通信距离是限制其使用的瓶颈。本文在简介BB84、MDI等协议的基础上,重点对近来提出的双场干涉密钥分配(Twin-Field Quantum Key Distribution,TF QKD)协议进行说明,并介绍了后续的一系列改进方案。与之前的协议相比,TF QKD突破了点对点的密钥容量界,因此具有重要的理论和应用价值。

基于BBM92协议的量子密钥分发系统改进方案

量子密钥分发所面临的最主要问题是如何实现高码率、远距离的量子密钥传输。为提高量子保密通信系统量子密钥生成的速率,将双探测器量子密钥分发方案应用于BBM92协议,并分别在理想纠缠光源、参量下转换纠缠光源两种情况下进行了数值仿真。对系统性能进行对比后得出:在BBM92协议中利用双探测器,量子密钥分发系统的密钥生成率明显高于单探测器系统,而误码率大幅度低于单探测器系统。理想光源情况下传输距离可扩展到300 km,参量下转换光源的情况下,传输距离也可达250 km。

基于BB84协议的光纤量子密钥分发实验

本实验利用集成化的量子保密通信设备搭建了一个850 nm波长的全光纤量子密钥分发实验平台.该平台以光纤为量子信道,利用衰减后得到的单光子为信息载体,结合经典信道在通信双方随机生成量子密钥,从而完成量子密钥分发实验.本实验紧密结合近年来量子信息科研发展的最新成果,设计新颖,特色突出,有利于学生更加直观深入的了解量子密码技术和量子密钥分发过程.

基于重发机制的量子密钥分发协议

在量子密钥分发协议中,光子传输很微弱且不能被放大,在接收端极可能出现部分光子被丢失或未被检测到的情况,导致接收端收到的光子序列中出现缺失,使量子密钥分发协议效率更低,针对该问题,提出使用重传机制。根据缺失光子的位置,由发送方重新随机生成相应的二进制位序列、基序列和相应的光子序列,对其进行传输,直到没有出现光子缺失或满足一定阈值为止;理论分析该协议的可实现性、安全性和分发效率。使用重传机制能够有效增加接收端接收到的有效二进制串的位数,扩大了窃听检测区间,显著提高量子密钥分发效率。

双路连续变量量子密钥分发协议的有限码长效应分析

研究双路连续变量量子密钥分发协议安全码率在有限码长效应下的影响。使用中心极限定理和最大似然估计原理进行参数估计,重新计算符合实际情况的安全码率。选择适合的密钥长度和调制方差,使得协议最优化。模拟仿真合适参数使其安全性能接近无限码长条件的安全性能,发现有限码长效应将使双路连续变量量子密钥分发协议安全性能下降。

BB84协议与量子密钥分发的应用

为保证Alice与Bob交换安全的密钥,针对RSA公钥密码算法存在的隐患,在引入单光子不可分割与量子态不可克隆的基础上,运用量子态具有波动、叠加、观测而瞬坍的本征属性,以单光子为信息载体,通过对BB84协议与贝尔不等式的讨论,实现量子隐形传态的密钥分发,从而保证经典信道上密文通信的无条件安全;同时凝炼量子密钥分发应用与量子纠缠的特征,总结广泛认可的量子通信发展路线.

基于BB84协议的量子密钥分发模拟实验

量子密钥分发是量子信息的重要应用,由于真实量子密钥分发实验的仪器昂贵,很难用于教学。本文利用本科教学常规的光学实验仪器,在限定光束不可分的前提下,通过对光的偏振的调制和测量,模拟出BB84协议的量子密钥分发通信过程。具有仪器简单,原理清晰的特点,对量子信息的教学很有帮助。

基于量子密钥分发和像素置乱的图像加密方法研究

鉴于当前经典图像加密算法的局限性及量子密钥分发协议无条件安全的特性,提出一种基于量子密钥分发和像素置乱的图像加密方法。首先通信双方产生量子密钥序列,然后将密钥序列转换成与要加密的图像对应的像素矩阵,将该像素矩阵与对应的图像的像素矩阵元素按位进行异或运算,再利用下一量子密钥序列生成像素置乱矩阵,对图像像素进行置乱变换,最终完成加密。解密方用与发送方相反的方法进行像素位置复原,再利用密钥矩阵进行异或运算即可解密。该算法所有密钥均采用量子密钥分发协议产生,安全性高,实现简单,经实验仿真证明,加密后的图像直方图呈均匀分布,像素相关性非常弱,像素变化率和信息熵高。

高效量子密钥分发系统协议研究

本文详细比较了各类量子密钥分发系统协议的密钥生成效率,对目前提高量子密钥分发协议效率的方法进行了总结,并对利用单光子多比特量子态提高量子密钥分发系统效率的方法进行了分析和展望。

基于挑战-应答机制的量子密钥分发协议

基于BB84协议,利用挑战-应答机制,提出了一种量子密钥分发协议。发送方Alice和接收方Bob通过安全信道共享三个不同的Hash函数(H_1,H_2和H_3),以及随机比特串S_O^(AB)。在每次密钥分发时,Alice产生随机比特串S_r^A(挑战信息)和S_k^A(密钥),结合H_1和S_O^(AB),基于BB84协议产生光子串S_p^A;Alice将S_r^A和S_p^A发送给Bob,Bob接收到对应的S_r^B和光子串S_p^B;Bob利用S_r^B,结合H_1和S_O^(AB),基于BB84协议对光子串S_p^B进行测量得到S_k^B。理想情况下共享密钥S_r^A=S_r^B。另外,Bob利用S_r^B,S_k^B,S_O^(AB)及H_2产生应答序列S_2~B;Alice和Bob利用各自拥有的序列及H_3分别产生序列S_O^A和S_O^B,并对各自的S_O^(AB)做更新。在密钥分发过程中光子的利用率为100%,该协议既有BB84协议类似的安全性,又有单向身份认证功能。

一种基于标记单光子源的态制备误差容忍量子密钥分发协议

在实际量子密钥分发系统中,由于设备、器件存在缺陷,在量子态制备过程中往往存在误差,而这些态制备误差会导致一定的系统安全性漏洞.本文在Tamaki等(Phys.Rev.A90052314)的工作基础之上,提出了一种基于标记单光子源的态制备误差容忍量子密钥分发协议.本文将发送端制备态误差进行参数刻画并带入量子密钥协议安全性分析之中,避免了实际应用中由于态制备装置的不理想可能引入的安全性漏洞,提高了系统的安全性.同时,为了方便起见,本文采用三强度诱骗态方案开展建模分析与数值仿真计算.仿真结果显示,本文提出的协议对态制备误差具有很好的鲁棒性.同时,由于标记单光子源具有真空脉冲概率低的优点,与此前基于弱相干态脉冲的同类协议相比,我们的协议在传输距离较远时能够显示出更优的性能.因而,该工作有望为未来发展长距离量子保密通信应用与研究提供重要的参考价值.

基于BB84协议的量子密钥分发系统研究

量子密码技术提出以后,得到了人们的普遍关注,它是目前唯一能够证明的绝对安全的保密通信方式。随着量子信息技术的发展,量子密钥分发技术开始从理论走向实际应用。为了研究在实际量子密钥分发系统中各部件对密钥分发效率的影响,提高密钥分发速率,对基于BB84协议的光纤量子密钥分发系统进行建模分析,研究了影响密钥分发效率的参数。数值仿真表明:准单光子源中平均光子数和光纤长度是影响最终密钥协商速率的关键参数。为进一步提高量子密钥分发系统的效率提供了参考。

基于BB84协议弱相干光源测量设备无关量子密钥分发实验方案

基于BB84协议的量子密钥分发实验方案逐渐成熟,而传统的BB84协议因发送和测量基不同而导致丢弃一般信息的问题尚显不足。基于测量设备无关量子密钥分发协议,提出了一种新的相位编码双场量子密钥分发方案。首先通信双方Alice和Bob具有相同的发送装置,对其制备的相干态进行相位编码,然后在第三方Charlie处进行干涉并由单光子探测器判断响应情况,通过区分不同的相位差对应不同的探测器响应来生成密钥,可以有效抵御窃听。与传统的BB84协议相比,所提协议使用相位编码方式使得信息在传输中易保持,且安全性不依赖于测量设备,能有效抵御窃听,并将传输距离提高一倍,弥补了BB84协议因发送和测量基不同而丢弃一半信息的问题。

基于后选择的连续变量量子密钥分发协议

连续变量量子密钥分发(CVQKD)是利用连续变化的物理量承载密钥的量子密钥分发协议,与电力系统普遍采用的离散变量量子密钥分发协议相比,其具有设备简单、探测效率高、兼容性好等优点,成为量子密钥分发的研究热点。然而,量子态在量子信道中的传输衰减严重限制CVQKD传输距离。提出了一种基于后选择方法的CVQKD协议,且不需要额外的单光子源。研究结果表明,该后选择方法中测量值越大的物理量被保留下的概率越高。该方法可以简化并降低连续量子密钥分发协议实现的成本,为探索出电力网络的量子保密通信方案提供研究思路。

传输距离对实际量子密钥分发系统的影响

基于BB84协议原理,搭建偏振编码的长距离点对点实际量子密钥分发实验系统.利用该实验平台完成了5,10,15km 3种不同传输距离的量子密钥分发实验,并对系统主要参数实时采集进行数据分析.实验结果表明:随着发送端与接收端量子光纤信道距离的增加,在统计时间内,系统分段成码率降低,信号态和诱骗态误码率上升,系统产生的密钥量降低.