基于波分复用技术的测量设备无关量子密钥分发

基于诱骗态MDI-QKD协议,提出了一种使用波分复用技术(WDM)的MDI-QKD协议。通信双方.Alice和Bob同时发送不同波长的多路信号,通过光复用器将多路信号合并,由单根光纤进行长距离传输。第三方Charlie通过光解复用器将多路合成信号分开,分别对每一路进行贝尔态测量。理论分析结果表明协议的密钥生成率与传输距离、复用路数及平均光子数目有关;数值仿真结果表明在不增加系统传输设备的前提下,该协议极大提高了系统的密钥生成率。当传输距离为150 km,单路的密钥生成率为0.17 Mbps,20路、40路复用的密钥生成率分别可达3.34 Mbps、6.68 Mbps。

应用诱骗态的光子轨道角动量测量设备无关量子密钥分发协议的研究

轨道角动量作为量子信息的一种载体,可应用于测量设备无关量子密钥分发协议中,来消除发送端和接收端间的基校准。诱骗态技术可以消除量子密钥分发协议采用弱相干光源时易被分裂攻击的缺陷。本文将轨道角动量态、测量设备无关方案和诱骗态方案相结合,设计一种基于高效轨道角动量分离方法的诱骗态光子轨道角动量测量设备无关量子密钥分发协议方案,避免了极化方案中对极化基的依赖性缺陷,提高了密钥速率,本文给出了该方案密钥速率的理论推导,并分别对采用无限个诱骗态和两个诱骗态时该方案密钥速率进行了仿真。研究结果表明,在相同条件下,基于轨道角动量的MDI-QKD协议方案比极化方案密钥速率更高。

基于实际探测器补偿的离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案

由于离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案与高效纠错码具有良好的兼容性,因此即使在低信噪比条件下,也具备较高的协商效率,并且其实现条件相比于高斯调制方案更加简单.然而,实验中常用的零差探测器的量子效率仅为0.6,这会严重影响离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案的实际应用性能.鉴于此,本文提出基于实际探测器补偿的离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案,即在该方案中对两条量子信道的输出端各采用一个相位敏感放大器用于补偿相对应的实际零差探测器.仿真结果表明采用相位敏感放大器能够很好地补偿实际零差探测器的量子效率,有效提升基于实际探测器的离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案的密钥率和安全传输距离,为推动离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案的实用化发展提供了一个有效而实用的方法.

实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发

大气信道传输过程引入的畸变相位严重限制了基于自由空间的轨道角动量(OAM)量子密钥分发的安全传输距离,为了实现畸变相位的实时监测和补偿,基于自适应光学技术提出一种实时跟踪补偿的OAM编码的测量设备无关量子密钥分发(OAM-MDI-QKD)方案.方案采用波前补偿和相位共轭,设计了双重补偿的自适应光学系统;采用单一光源的结构,解决了双光源的波长模式不匹配问题;利用OAM进行编码,解决了传统MDI-QKD的测量基参考系对不准问题.仿真结果表明:在信道损耗相同的情况下,本方案的损耗容错比传统的MDI-QKD方案高42 dB,比无补偿的OAM-MDI-QKD方案高2 dB.

测量设备无关量子密钥分发方案安全性研究

量子密钥分发(quantum key distribution,简称QKD)因其具有理论上的无条件安全性而备受关注,但是在实际系统中,QKD会由于设备的非完美性而易受到量子黑客的攻击。测量设备无关(measurement device independent,简称MDI) QKD方案的提出,很好地解决了这一问题。本文首先介绍MDI-QKD协议的最新研究进展和实现原理,总结归纳了协议在实际应用中的优越性与不足,在分析MDI-QKD改进协议的基础上,重点研究提升方案安全密钥生成率的方法并进行理论证明。

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.

基于斐波那契编码的测量设备无关量子密钥分发方案

随着量子密钥分发(QKD)技术的飞速发展,为了确保航空通信的安全性,研究人员开始逐步对航空机载平台的量子通信技术进行相关研究和试验。在自由空间试验中,测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)协议虽然消除了对于探测器边信道的攻击,但是受到大气湍流等干扰因素的影响,其密钥生成率仍然偏低。本文利用斐波那契数列与卢卡斯数列之间存在的关系,对光子轨道角动量(OAM)进行密钥信息编码,提出了一种基于斐波那契编码的MDI-QKD方案。该方案在不影响原始MDI-QKD协议安全性的基础上,单次量子信息传输容量增加。分析了在自由空间中存在噪声的情况下大气湍流对光子OAM的散射效应,得到了探测端检测到不同OAM态的概率,以及使用OAM编码量子信息的MDI-QKD方案的密钥生成率与最大传输距离的关系。当光信号在大气信道传输时,随着光信号的径向强度逐渐增大,大气湍流对光子OAM态的散射效应逐渐增强,原始OAM态发散为相邻OAM态并趋于无规则分布,探测端检测到原始OAM态的概率不断减小。基于OAM编码的MDI-QKD方案的最大传输距离要比基于偏振编码的MDI-QKD方案增加20km。

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.

超过404km的测量设备无关量子密钥分发实验

利用诱骗态方法的测量设备无关的量子密钥分发可以避免不完美单光子源和探测器损耗带来的安全漏洞威胁.在实际应用的量子密钥分发中,增加传输距离和提高安全成码率是一个中心任务.报道了关于利用最优化的四强度诱骗态方法来演示测量设备无关的量子密钥分发MDIQKD的实验,其利用超低损耗光纤安全传输达到404 km,利用标准光纤安全传输达到311 km,在MDIQKD领域甚至所有类型的量子密钥分发中创造了新的安全传输记录.在相同实验条件下,传统BB84量子密钥分发协议即使利用完美的单光子源也不可能实现安全成码.该实验在证明和发展可行的长距离量子密钥分发取得了重要进步.

参考系波动下的参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议

参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议是解决实际系统中参考系对准问题的有效途径,但其安全性的前提是参考系偏移速度缓慢.考虑到现实参考系波动和信号长度有限的情况,重点讨论了参考系偏移和波动下的有偏基参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议性能的有效性.仿真结果表明协议密钥率是关于偏移角的周期函数,同时也是波动角的递减函数,为下一步参考系无关测量设备无关量子密钥分发协议实用化打下了理论基础.

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。

测量设备无关量子密钥分发中的改进型诱骗态方法

测量设备无关量子密钥分发协议作为量子网络的候选组件之一,消除了探测端的所有漏洞,提升了系统安全性。目前的测量设备无关量子密钥分发协议采用非理想单光子源,并引入了诱骗态方法来提高密钥率。最近,一种整合在诱骗态方法中的数据后处理方法双扫描法在统计波动方面表现出色。使用诱骗态方法估算单光子对成分时,引入双扫描法能获得更高的密钥率。然而,双扫描法需要耗时的优化过程。在此,文章提出了一种新颖的改进型诱骗态方法,以实现比原始诱骗态方法更好的性能,同时避免了类似双扫描法优化时间的出现。在文章所有的实验参数值模拟中,改进型诱骗态方法均比原始诱骗态方法的密钥率更高;相较于双扫描法,文章所提方法具有速度快、兼容性好的优点。

基于回归决策树的测量设备无关型量子密钥分发参数优化

量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)结合一次一密的加密方式,可以实现无条件安全的量子通信.双场(twin-field,TF)QKD和测量设备无关(measurement-device-independent,MDI)QKD具有较高的安全性,同时适合构建以测量端为中心的网络,具有广阔的应用前景.但在实际应用过程中,参数配置对QKD性能有着极大影响,而实际场景中存在着用户数量大、位置距离中心站点非对称、并且用户大部分处在实时移动中的特点.面对上述实时的参数配置需求,传统的参数优化方式将无法满足.本文提出将监督机器学习算法应用于QKD参数优化配置中,通过机器学习模型预测不同场景下TF和MDI两种常用协议的最优参数.将神经网络、最近邻、随机森林、梯度提升决策树和分类回归决策树(classification and regression tree,CART)等监督学习模型进行对比,结果显示CART模型在R^(2)等回归评估指标上均有最优表现.在随机划分训练组、验证组情况下,预测参数的密钥率与最优密钥率比值的均值在0.995以上;在“超精度”和“超范围”两种极限情况下,该均值仍能维持在0.988左右,且在残差分析中具有较好的环境鲁棒性,展现出较好的性能.此外,基于CART的新方案相较于传统方案在计算实时性表现上有很大提升,将单次预测时间缩短至微秒量级,很好地满足了通信方在移动状态下的实时通信需求.

基于大气信道的测量设备无关连续变量量子密钥分发

本文主要研究了大气信道对基于测量设备无关协议的连续变量量子密钥分发系统的影响。阐述了量子密钥分发技术的基础原理与发展历程,阐明了测量设备无关协议的原理和优势,并分析了基于该协议的CVQKD方案运用于大气信道模型中会受到的影响。通过对该方案的实验仿真和理论分析,证明了该方案能够有效地应对大气信道中的挑战,实现安全的密钥分发。本文的研究结果与内容对于推动MDI-CVQKD技术在大气信道中的应用具有一定的意义。

预报相干光子对的测量设备无关量子密钥分发协议

提出了一种基于预报相干光子对(HPCS)的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)协议的改进方案,降低了长距离量子密钥分发中由暗计数引起的误码率。仿真结果表明,与弱相干光源相比,HPCS能降低空脉冲数量比例从而增加安全传输距离;与预报单光子源相比,HPCS能提高单光子脉冲数量比例从而提高安全密钥生成率。分析了有限密钥长度对基于HPCS的三诱骗态MDI-QKD的影响。

大气湍流下的轨道角动量编码测量设备无关量子密钥分发

基于Kolmogorov及非Kolmogorov湍流模型,分析了大气湍流对光子轨道角动量(OAM)的散射效应,得到了探测端不同OAM模式的概率。分析了两种湍流条件下OAM编码测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的密钥生成率与最大传输距离。仿真结果表明,当光束在大气信道传输时,光束的径向强度逐渐增大,湍流对光子OAM的散射效应逐渐增强,初始OAM发散为相邻OAM模式并趋于无规则分布,探测端测得初始OAM模式的概率不断减小。大气湍流下OAM编码MDI-QKD的最大传输距离比偏振编码MDI-QKD的长约10km。

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.

测量设备无关类量子密钥分发研究进展

2012年提出的测量设备无关量子秘钥分发(MDI-QKD)协议,将所有测量端安全漏洞同时关闭。MDI-QKD及其之前的QKD协议的成码率和信道传输效率均呈线性关系,都存在PLOB界。2018年提出的双场量子密钥分发(TF-QKD)协议不仅具有测量设备无关特性,还可突破PLOB界,将成码效率提高到与信道传输效率的平方根相关。通过梳理MDI-QKD、TF-QKD协议及其各种变种协议的理论和实验进展,简要总结其特点,并对其未来发展进行了展望。

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.