四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议

量子密钥分发(QKD)具有信息论上的无条件安全性,而相位匹配量子密钥分发(PM-QKD)是双场量子密钥分发协议(TF-QKD)的一个变体,其最近被提出用来克服没有量子中继器的点对点协议中存在的速率-距离限制。鉴于实践中不存在无限强度的诱骗态,提出了一种具有实用价值的四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议,即四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议。给出了该协议的安全密钥速率公式,并通过数值仿真分析了该协议的性能,证明了该协议的有效性。

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。

非对称信道相位匹配量子密钥分发

经典相位匹配量子密钥分发要求信道对称,而实际应用中非对称信道应用场景更加普遍.为研究信道非对称性对相位匹配协议性能的影响,基于经典相位匹配协议框架提出非对称相位匹配协议,建立相关数学仿真模型,并对信道非对称情况下诱骗态和统计波动等对系统的影响进行仿真分析.结果表明:信道非对称性对系统性能影响巨大,随着信道衰减差异的增大系统性能减小,且减小速度逐渐加快,超过4 dB时已无法生成密钥;诱骗态方案不能改变系统对信道衰减差异的容忍度,但在信道衰减差异较大时,增加诱骗态可以显著提升系统性能;随着数据长度的增大,系统对信道衰减差异的容忍度逐渐提升,当数据长度大于10^(12)时,这种提升不再明显,与对称信道相比,当信道衰减差异为2 dB时,随着数据长度的增大,系统性能提升更加明显.

基于光源检测的相位匹配量子密钥分发协议

量子密钥分发(QKD)在信道中容易丢失信息载体,因此有限的通信距离和密钥生成速率是其应用的主要瓶颈。一般而言,密钥速率受信道传输速率的限制,而相位匹配量子密钥分发(PM-QKD)协议的提出克服了线性密钥速率的约束,即安全密钥速率与传输速率的平方根成正比。虽然PM-QKD协议可以保证探测器的安全性,但光源方面仍存在一些缺陷。在PM-QKD协议中,一般假设光源为理想相干态,而这与实际的QKD系统不完全相符,从而造成一些安全问题。本研究讨论了光子数分布未知条件下的PM-QKD协议,证明了光子数分布未知条件下的安全性分析仍然是合理的,也表明基于光源检测的PM-QKD协议产生的密钥率与理想光源下的密钥率基本一致。

二诱骗态相位匹配量子密钥分发方案

相位匹配协议是最近被提出的一种能突破密钥容量的量子密钥分发协议,其安全性得到了理论和实践的证明。针对实际应用中光源的非理想性,基于弱相干态光源,提出了一种二诱骗态相位匹配量子密钥分发方案。该方案在简化参量计算式的同时,仅采用2个诱骗态(真空+弱诱骗态)对求解最终密钥生成率的必要参数进行了估计;随后以光纤信道为背景,对该方案在理想及统计波动情况下的性能进行了仿真分析。仿真结果表明:在同等诱骗态数目条件下,二诱骗态相位匹配方案能突破密钥容量的限制,密钥生成效率及最大传输距离均优于BB84协议、测量设备无关协议等;在密钥生成效率及最大传输距离两个性能指标上,理想情况下二诱骗态方案接近已有的三诱骗态方案,但在考虑实际统计波动且数据量小于10^(14)时二诱骗态方案反而更优。

评“二诱骗态相位匹配量子密钥分发方案”

自第一个QKD协议(BB84协议)提出后,经过近40年的不断研究,QKD已逐渐从实验室走向实际应用。由于诱骗态协议与QKD协议的结合能很好解决实际应用中针对非理想单光子源的光子数分离攻击,因而成为当前实际应用中最有效和安全的组合方案,但QKD的密钥生成效率R始终难以突破密钥容量(secret key capacity,SKC)的限制,即。在众多改建方案中,有的是安全性未得到证明,有的对系统的存储、计算、信道稳定性等方面提出了更高的要求。

基于量子密钥分发协议的身份验证方案设计

基于量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)协议的身份验证方案是一种强大而安全的身份验证方法。该方案利用量子力学原理,包括量子比特的创建、传输和测量,确保密钥协商的安全性,能为身份验证提供双重保障。量子密钥的传输是不可非法窃取的,任何对密钥的窃取或干扰都会被立即检测到。通信双方可以安全共享量子密钥,实现双方之间的身份验证和安全通信。该方案具有高度的安全性,在保护个人身份和信息安全方面具有广阔的应用前景,并为未来的安全通信提供了重要的基础。

连续变量量子密钥分发系统中动态偏振控制研究

连续变量量子密钥分发系统中,本地光场和信号光场采用时分复用,偏振复用方式通过长距离单模光纤传输.外界复杂环境会使单模光纤产生双折射效应,导致本地光场和信号光场的偏振态漂移,严重影响接收端平衡零拍探测结果.因此,高效动态偏振控制单元是推动系统外场实用化进程的关键技术.本文理论上证明了系统接收端仅考虑任意偏振消光比输出时,偏振控制单元只需两个控制自由度即可.在此基础上将贝叶斯参数估计方法有效融入混沌-猴群算法,同时在现场可编程逻辑门阵列硬件上实现控制算法,结合积分型光场探测器建立动态偏振控制单元,仿真和实验结果表明单次偏振控制静态消光比达到30 dB以上的平均周期为400μs.为了应对偏振态连续变化情况,将动态偏振控制单元集成到连续变量量子密钥分发系统,实验测试了偏振态扰动速率在0—2 krad/s范围内系统仍然能够正常运转.

基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发

在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐,无需借助软件算法实现数据的对齐.本文采用了加拿大滑铁卢大学Norbert Lütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法.该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩,以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率.计算过程中无需假设信道为线性信道,无需额外噪声的估算.密钥分发系统重复频率为10 MHz,传输距离为25 km,平均安全密钥比特率为24 kbit/s.本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步,减小了系统的复杂度和计算量,在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积,有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.

自由空间连续变量量子密钥分发的信道透射率起伏特性仿真研究

自由空间量子信道的透射率在连续变量量子密钥分发的安全性分析中扮演重要角色。自由空间中的大气湍流导致透射率随机起伏,从而影响连续变量量子密钥分发。现有研究的自由空间量子信道透射率数学模型缺乏大气湍流效应物理层面的综合考量,因此在精确表征透射率方面存在局限性。文中从大气湍流的物理本质出发,采用分步传输结合相位屏平板方法对自由空间量子信道进行数值仿真研究,并将仿真结果与已有的数学模型进行了对比分析。对自由空间量子信道数值仿真执行10~5次,计算透射率并进行数理统计,得到自由空间量子信道透射率的概率密度,结果表明,采用改进Von Karman大气湍流谱模型能够精确实现真实的自由空间量子信道,而采用Kolmogorov大气湍流谱模型仿真计算得到的自由空间量子信道透射率被高估,最大误差达到5.28%;将数值仿真精确实现的透射率概率密度与已有的椭圆光束近似模型和光束漂移模型进行比较,发现这些模型均低估透射率,与真实的自由空间量子信道情况存在一定差异。研究结果能够精确表征自由空间量子信道透射率的随机起伏特性,可用于准确评估自由空间连续变量量子密钥分发的安全性。

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。

量子密钥分发过程中编码技术专利研究

实现量子密钥分配QKD的第一个重要步骤就是对脉冲进行编码。本文以CNABS、DWPI数据库为主,从专利申请整体发展趋势、专利申请国家分布、各技术分支功效分析、技术演进路线等多个角度对量子密钥分配中编码领域的全球、中国专利申请情况进行分析。安全密钥率是衡量量子密钥分配QKD系统安全性和实用性的主要指标。系统每秒生成安全的最终码正比于系统重复率与每脉冲成码率,除了误码率和损耗率的影响,每脉冲成码率还取决于编码技术。

基于非理想测量基选择的水下连续变量量子密钥分发方案

在基于零差探测的水下连续变量量子密钥分发系统中,测量基选择是必不可少的步骤.然而在实际中,接收端数模转换器的带宽有限,这会导致测量基选择出现缺陷,即接收方无法在相位调制器上精确地调制出相应的相位角来进行测量基选择以实施零差探测.非理想测量基选择会引入额外的过噪声,影响水下连续变量量子密钥分发方案的安全性.针对这个问题,本文提出基于非理想测量基选择的水下连续变量量子密钥分发方案,详细分析非理想测量基选择对水下连续变量量子密钥分发系统性能的影响.研究结果表明,由非理想测量基选择所引入的过噪声能够降低水下高斯调制量子密钥分发的密钥率与最大传输距离,因而降低系统的安全性.为了实现可靠的水下连续变量量子密钥分发,本文对非理想测量基选择所引入的额外过噪声进行定量分析并获得其安全界限,并且考虑不同海水深度对所提出方案安全界限的影响,有效地解决由非理想测量基选择所带来的安全隐患.此外,对所提出的方案,本文不仅考虑了其渐近安全性,也考虑了其组合安全性,后者能够获得比前者更紧的性能曲线.本文所提出的方案旨在推动水下连续变量量子密钥分发系统的实用化进程,为全球量子通信网络的水下通信中水信道参数的准确评估提供理论指导.

基于时间仓复用的高维量子密钥分发及应用

与二维量子密钥分发相比,高维量子密钥分发(High-Dimensional Quantum Key Distribution,HD-QKD)能够提供更高的密钥率并且可以容忍更多的噪声。然而,在量子通信中,对高维量子系统的操作限制了其实用性。文章基于时间仓复用提出了一种HD-QKD协议。首先,使用高维编码的单光子在通信双方的多对二维量子存储器(Quantum Memory,QM)之间创建可预报的并行纠缠;然后,通过对多对QM进行贝尔态测量,两个通信方可以检测窃听并获取密钥,无需额外的测量来检验安全性,这使得HD-QKD协议在成本和效率上都具有优势。此外,文章获得了实现最优密钥容量的条件,并讨论了HD-QKD协议的两个重要的密码学应用,即确定性安全的量子通信和量子保密查询。与现有方法相比,两者在效率上都有显著提高。综上所述,时间仓复用方法在解决密码学问题中具有强大能力。

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。

更正: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[物理学报2023,72(11):110304]

《物理学报》2023年第72卷第11期第110304页《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》中,因作者疏忽将第三作者的姓名误写为“付博伟”,正确写法应为“付博玮”,特此更正,并诚挚地向读者致歉.期刊网站中此文的电子版已对第三作者姓名做相应更正.

量子密钥分发的误码纠错专利技术现状

量子密钥分发通过对单光子或光场正则分量的量子态制备、传输和测量在收发双方间实现无法被窃听的安全密钥共享,再与传统加密技术相结合完成经典信息加密和安全传输。每发送一次信息,都重新生成新密钥,实现了报文发送的“一次一密”,并且在密钥发送的过程中还可以检测有无侦听者,在原理上实现绝对安全可靠的通信,是首个从实验室走向实际应用的量子通信技术分支。

量子密钥分发技术在城市轨道交通通信系统中的应用方案研究

基于量子力学的基本原理,量子密钥分发技术是一种无条件安全的新型通信技术。为保障城市轨道交通的信息安全,有必要研究基于可信中继的量子密钥分发技术在城市轨道交通通信系统中的应用。首先研究量子密钥分发技术的基本原理和密钥形成过程;其次说明基于可信中继的量子密钥分发技术的基本原理及其可行性;最后基于量子密钥分发技术,以“接入站+可信中继”的方式,搭建由量子密钥平台、网络支撑平台和安全服务平台构成的量子保密通信网络架构及功能体系,提出其在城市轨道交通通信系统中的应用场景。通过量子密钥分发技术可以实现城市轨道交通信息安全传输,为进一步探索量子通信技术在城市轨道交通中的应用提供参考。

基于多粒子GHZ态的多方量子密钥分发

多方量子密钥分发使用分布式量子组密钥协商实现组会话密钥分发。文章所提协议将多粒子GHZ态作为量子资源,采用分布式思想,利用纠缠和泡利运算实现多方会话密钥分发。其中,群会话密钥由所有群成员共同决定,避免了单个节点导致的不可信问题。该协议减少了密钥协商次数,加快了群会话密钥的生成,具有可行的量子比特效率。

量子密钥分发网络架构、进展及应用

近年来,随着网络通信攻击手段的层出不穷,只依赖传统计算困难程度的密钥分发的安全性受到了严重威胁。量子密钥分发技术由于其无条件安全性的优势,与光网络结合,在信息的保密性和传递效率方面具有突出的表现。利用量子密钥分发技术组建的量子密钥分发网络也在全球范围内得到逐步应用并且不断发展。重点总结了量子密钥分发各项协议及量子密钥分发网络的发展历程,以量子密钥分发网络所面临的生存性和连通性,以及中继节点的布置问题为切入点,分析了量子密钥分发网络目前存在的不足及现有的各种解决方案。最后,从实际的角度出发,分析和总结了量子密钥分发网络的应用现状,通过量子密钥分发在线与离线相结合的方式,使量子密钥分发网络的可推广性变得更强,同时,边缘网关到物联网终端设备的量子密钥分发也大大促进了量子密钥分发网络与现有物联网设备的结合应用。