改进的测量设备无关协议参数优化方法

实际量子密钥分发中参数的优化选择能大幅提升系统密钥生成率和最大传输距离,由于全局搜索算法的成本过大,本地搜索算法被广泛地应用.然而该算法存在两个问题,一是所得解不一定为全局最优解,二是算法的有效性极大地受制于初始值的选择.利用蒙特卡罗方法对密钥生成率函数是否为凸函数进行了证明,并仿真分析了密钥生成率函数在不同参数维度上的特性,提出了粒子群本地搜索算法并与本地搜索算法进行仿真比较.结果表明,密钥生成率函数为非凸函数,但合理设置初始值,本地搜索算法仍能求得全局最优解;在传输距离较远时,本地搜索算法因难以通过随机取值的方法得到有效的初始值而失效,粒子群本地搜索算法能克服这一缺点,以轻微增加算法复杂度为代价,提升了系统的最大传输距离.

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.

基于测量设备无关协议的量子身份认证方案

借助测量设备无关量子密钥分配协议的安全性,提出了测量设备无关的量子身份认证协议。在此协议下,认证中心和认证方以共享密钥加密认证信息和认证密钥,将其发送至第三方进行贝尔态测量以提取安全的认证信息,实现认证中心对认证方有效认证,并更新共享密钥。分析协议性能显示,系统在不同攻击下认证过程是安全且有效的。

基于标记配对相干态光源的测量设备无关量子密钥分配

为提升量子密钥分配的性能,基于标记配对相干态光源,提出了一种四强度诱骗态测量设备无关量子密钥分配方案。首先,利用光源的双模态特性和光子数标记技术来提升传输性能,推导了单光子对计数率下限和误码率上限的计算公式;然后,考虑统计波动,分析了数据长度有限对方案性能的影响。数值仿真结果表明:基于标记配对相干态光源的测量设备无关量子密钥分配方案在安全传输距离和密钥生成效率上都优于现有基于弱相干态光源和预报单光子源的测量设备无关量子密钥分配方案;在统计波动条件下,方案性能会随着数据长度的减少而降低,但即使数据长度减少到10^10,基于标记配对相干态光源的测量设备无关量子密钥分配方案的最大传输损耗容忍度仍可达36 dB,优于现有的其他方案。

大数定理的测量设备无关量子密钥分配统计波动分析

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,结合诱骗态方案实现绝对安全的量子密钥分配。本文采用大数定理对有限密钥长度测量设备无关量子密钥分配方案中单光子计数率和误码率的统计波动进行分析,并对密钥长度为N=106~1012的单光子计数率和密钥生成率进行仿真。仿真结果表明：在光纤中传输时,随着密钥长度的减小,安全传输距离由无限密钥长度下的300km分别下降到260km（N=1010）和75km（N=106）。在N=1012时,安全传输距离达到295km,接近理论极限值。

测量设备无关量子密钥分配的综合参数估计

参数估计(单光子计数率与误码率)是影响诱骗态MDI-QKD(measurement device-independent quantum key distdbution)成码率的重要因素.利用综合估计的方法,研究采用自发参量下转换(spontaneous parametric down conversion,SPDC)源的MDI-QKD参数估计问题.区别于已有的独立估计方法,从平均计数率和误码率方程组中得到参数解析式,然后充分考虑参数之间的关联性,将其作为一个整体函数进行分析.通过在闭区间内求函数最小值,给出了更紧的安全码率估计.该方法为进一步提升此类MDI-QKD协议的性能提供了思路.

有限探测死时间的高速测量设备无关-量子密钥分配

由于探测器死时间的影响，当信号发送速率超过探测器的最大计数率时，将导致光子到达时不能成功进行探测，造成较高的误码率，影响密钥的安全。文中以BB84协议为例，分析了有限探测死时间的高速测量设备无关一量子密钥分配方案的安全性，并对最优传输速率进行了仿真。仿真结果表明：不考虑探测器死时间时，密钥筛选速率随着光子发送速率的增加而线性增加；考虑探测器死时间影响时，密钥筛选速率不再随着光子传输速率的增加而无限增加，筛选密钥曲线发生弯曲。在传输距离为100km时。密钥的筛选速率和探测器死时间的关系接近2．1／10τ，最优传输速率与探测器死时间的关系接近3．3×10／τ。

有限探测死时间的高速测量设备无关-量子密钥分配(英文)

由于探测器死时间的影响,当信号发送速率超过探测器的最大计数率时,将导致光子到达时不能成功进行探测,造成较高的误码率,影响密钥的安全。文中以BB84协议为例,分析了有限探测死时间的高速测量设备无关-量子密钥分配方案的安全性,并对最优传输速率进行了仿真。仿真结果表明:不考虑探测器死时间时,密钥筛选速率随着光子发送速率的增加而线性增加;考虑探测器死时间影响时,密钥筛选速率不再随着光子传输速率的增加而无限增加,筛选密钥曲线发生弯曲。在传输距离为100 km时,密钥的筛选速率和探测器死时间的关系接近2.1/10τ,最优传输速率与探测器死时间的关系接近3.3×10~5/τ。

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.

标记单光子源下探测器死时间的量子密钥分配

考虑到当光子传输速率过高时,量子密钥分配协议在实际应用中会受到探测器死时间的影响,因此对基于标记单光子源协议的安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系进行了探究。首先,在考虑和不考虑探测器死时间这两种情况下,探究了安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系。结果表明:当光子传输速率过高时,探测器死时间的存在的确会影响安全密钥生成速率。进一步分析了不同探测器死时间下安全密钥速率的生成情况。结果表明:探测器死时间的取值越大,得到的安全密钥生成速率就越低,安全密钥生成速率的极限值和探测器死时间τ之间的关系为4.2/τ。

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.

基于多晶体指示源的测量设备无关量子密钥分配协议

为提高测量设备无关量子密钥分配协议的性能,研究了基于多晶体指示源和脉冲位置调制的测量设备无关量子密钥分配协议。在多晶体指示源下,比较了有脉冲位置调制和无脉冲位置调制下测量设备无关量子密钥分配协议性能的优劣。仿真结果表明,引入脉冲位置调制可以提高该协议的密钥生成率并增大安全传输距离。并且,随着时隙的增加,密钥生成率逐渐提高,安全传输距离也逐渐增大。随后,进一步地分析了探测器在不同探测效率下,安全传输距离与密钥生成率之间的关系。结果表明,探测器探测效率越高,密钥生成率越高,安全传输距离越长。

相位调制无关的测量设备无关量子密钥分配协议

提出一种相位调制无关的改进测量设备无关量子密钥分配协议,在实际系统中通信双方参考系随时间相对缓慢移动的条件下,该协议不需要添加辅助校准系统来补偿相位漂移,降低了系统的复杂性。文章分析了相位调制无关的测量设备无关量子密钥分配协议在弱相干光源及参量下转换光源下的安全密钥生成率和最大安全传输距离,并进一步探究了有限密钥长度引起的统计波动问题对安全密钥率的影响。仿真结果表明,该协议的最大安全传输距离接近经典协议的最大安全传输距离。同时,考虑统计波动的影响,当达到相近的最大传输距离时,本文协议所需的脉冲数比传统协议低约5个数量级,进一步提高了系统效率。

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.

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。

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。

基于标记配对相干态的被动测量设备无关量子密钥分配

针对主动诱骗态方案可能引入边信息的缺点,通过结合旋转不变态,研究了基于标记配对相干态和脉冲位置调制的被动诱骗态测量设备无关量子密钥分配(MDI-QKD)协议。比较了传统MDI-QKD协议、基于旋转不变态的被动诱骗态MDI-QKD协议和具有不同帧长的基于旋转不变态的被动诱骗态MDI-QKD协议的性能优劣。仿真结果表明,引入旋转不变态和脉冲位置调制可以提高密钥生成率和安全传输距离。随着帧长的增加,协议的性能得以改善。因此,在没有强度调制的情况下,该协议避免了光源侧信道的影响,密钥生成率较高。

基于W态的多方测量设备无关量子密钥分配性能分析

测量设备无关量子密钥分配系统能够抵御任何针对单光子探测器侧信道的攻击。为了进一步优化多方测量设备无关量子密钥分配协议,对基于W态的多方测量设备无关量子密钥分配协议进行了研究,并引入探测器品质因子(暗记数Y0与探测器探测效率ηd的比值)作为模拟参量,模拟分析了误码率和密钥生成率的影响因素。仿真结果表明:在信道传输损耗、光纤信道之间的距离和探测器品质因子三个变量中,任意一个变量的增大都会使得误码率增大,密钥生成率减小。

基于MDI-QKD协议的国际业务数据传输方案研究

电力信息系统数据(尤其是国际业务数据)的安全传输关系着整个电网的安全运行.无条件安全的量子通信技术可大幅提高系统数据传输的安全级别,并提供对窃听者的可检测性.基于与测量设备无关量子密钥分配(MDI-QKD)协议,针对国际电力业务数据传输的特殊性,提出将MDI-QKD协议应用到传统的电力系统国际业务数据传输的即插即用MDI-QKD方案,此方案包括测量控制中心、外网国际业务专区和海外传输前置区.测量控制中心负责光脉冲的产生和贝尔态测量,外网国际业务专区和海外传输前置区通过密钥管理端口与量子虚拟专用网(VPN)相连,实施数据加密,理论分析验证了所提方案的可行性.