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。

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.

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。

中国科学技术大学取得量子密钥分发攻防研究重要进展

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子密钥分发(QKD)的实际安全性研究方面取得重要进展。该团队韩正甫、王双、银振强和陈巍等发现了一种QKD发送端调制器件的潜在安全性漏洞,并利用该漏洞完成的量子黑客攻击实验表明,当QKD的发送端未对该漏洞进行严格防护时,攻击者有可能利用其获取全部的密钥信息。相关研究的两项成果分别在线发表在国际学术知名期刊《Optica》和《Physical Review Applied》上,并入选当期的编辑推荐工作。

中国科学技术大学实现百兆比特率量子密钥分发

中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所、济南量子技术研究院、哈尔滨工业大学等单位的科研人员合作,通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术,首次在国际上实现百兆比特率的实时量子密钥分发,实验结果将此前的成码率纪录提升一个数量级。该成果于3月14日在线发表于国际学术期刊《自然-光子学》(Nature Photonics)杂志。

中国科学技术大学实现全被动量子密钥分发

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子密钥分发研究中取得重要进展。该团队韩正甫、王双、银振强、陈巍与合作者提出了一种无需主动调制的新型量子密钥分发实现方案并完成了实验验证,为实现高现实安全的量子密钥分发系统提供了新思路。该成果于2023年9月13日发表在国际学术期刊《Physical Review Letters》。

面向城域接入的连续变量量子密钥分发技术

相干态连续变量量子密钥分发技术是量子保密通信的重要手段,其通过制备、传输和测量高斯调制或离散调制的相干态来实现具有理论无条件安全性的密钥提取,具有与经典光通信产业兼容性高、中短传输距离下安全码率高、可支持点对多点密钥分发等优势,适合在城域和接入网中大规模部署。调研综述了连续变量量子密钥分发技术的协议、安全性理论、系统化与网络化发展现状,针对城域网和接入网应用场景下的连续变量量子密钥分发关键技术进行了梳理,并对连续变量量子密钥分发技术未来发展趋势进行了展望。

量子密钥分发技术在商用密码领域的应用路线分析

当前,量子计算、大数据、物联网、人工智能等新技术对信息安全提出了更高的应用和防护要求。商用密码作为应用最广泛、社会关系最密切的信息安全应用与防护体系,也具有新使命。今年7月1日,新修订的《商用密码管理条例》正式施行,从技术创新、应用管理、体系建设等方面作出要求和引导。量子密钥分发(QKD)作为量子密码领域最具实用化潜力的技术,已成为现有商用密码体系的有益补充,部署及使用条件不断成熟,但也面临降低成本、拓展场景、完善测评机制等问题。需要“产学研用管”多方协同,加快新域新质能力落地。

融合量子密钥分发技术的云会议关键技术研究

量子计算和并行算法的逐步成熟给传统加密通信带来了巨大的安全威胁,针对政府机构、重点企事业和金融行业等客户在使用云视频会议时的高安全需求,该文研究跨域加密会议场景下密钥分发实现方法,提出基于量子网络的分布式密码系统与云视频会议系统融合的方案,实现多类型视频会议终端与支持量子密钥的安全介质的对接及音视频数据加密,保证视频会议终端的安全登录、数据安全传输、存储和使用,杜绝音视频数据生命周期过程中被监听和篡改的安全风险。

基于扩展量子密钥分发的车联网增强身份认证方案

为实现车联网场景下的身份认证和密钥分发,提出一种基于扩展量子密钥分发的车联网增强身份认证方案。该方案的特征为:(1)在无线通信中通过量子安全模块和预置量子密钥完成量子密钥移动分发,在有线通信中通过量子密钥分发设备完成量子密钥的在线协商,实现了扩展的量子密钥分发;(2)基于后量子密码学的加密和签名算法进行基础身份认证,并通过预置的量子密钥实现增强认证。最后,通过安全性分析和性能测试,证实了本方案具有足够的安全性和较低的计算开销,总计算开销为1.689 ms,性能提升为60.43%~70.72%。

基于高维纠缠态的量子密钥分发协议

为了提高量子密钥分发的效率和安全性,利用高维Hilbert空间中的Bell态和Hadamard门设计了一种量子密钥分发协议。首先通过量子态的动态演变验证了三维Bell纠缠态在Z基和X基下具有不同的表示特性,然后以此为基础进行协议设计,其中利用Z基测量来检测窃听,利用X基测量来产生密钥。安全性分析表明,该协议可以抵抗截获重发、纠缠附加粒子和特洛伊木马三种常见的攻击。最后将协议与其他方案进行了比较,该协议在保证量子比特效率50%的基础上,安全性也有所提升。

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。

具有少量参与者的分层量子密钥分发协议

分层量子密钥分发在量子通信中有重要作用,除了使用EPR与GHZ态可实现分层量子密钥分发,非对称高维多粒子纠缠也为解决分层量子密钥分发提供了一种新思路,这种方法在量子信道使用次数上比传统的使用二部链路的量子密钥分发更有效.介绍了3用户在同构意义下的5种分层密钥结构,并给出4、5用户的可分区分层密钥结构.然后对于所介绍的各类分层密钥结构,通过将上述两种方法进行对比,得到实现各类密钥结构理想化密钥率最高的方案.当量子网络用户大于3且密钥结构可分区时,证明仅使用EPR与GHZ态就可实现各层理想化密钥率是1,并以4、5用户的可分区分层密钥结构为例展开说明.

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.

量子保密通信技术在大型活动中的应用探索

随着互联网、物联网、5G等技术的快速发展,近年来信息安全问题频发并呈现出愈加复杂的趋势。在大型活动中必须对数据加以有效保护,保障数据不会由于偶然或者恶意的原因遭受到未经授权的访问、泄露、破坏、修改、审阅、检查、记录或销毁,并保障信息系统和业务的持续运行。量子保密通信是信息理论安全的量子密钥分发技术和安全的密码算法等结合形成的加密通信安全解决方案。

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。