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。

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。

线性光学克隆机改进的离散极化调制连续变量量子密钥分发可组合安全性分析

在连续变量量子密钥分发的实验系统中,由于调制器受限于分辨率有限的驱动电压,理想的高斯调制会退化成离散极化调制,进而引发系统性能的下降.本文提出并研究了线性光学克隆机改进的离散极化调制连续变量量子密钥分发方案.在接收端插入线性光学克隆机能够有效地补偿由幅度和相位离散化产生的综合效应所造成的系统性能损失,实现整体性能的提升.本文推导出了所提方案在非理想外差探测下可组合安全密钥率的表达式,并进行数值仿真.仿真结果表明,所提方案不仅能够通过灵活调谐线性光学克隆机的相关参数,优化安全密钥率、提升过量噪声抗性,还能有效克服有限码长效应对安全性的影响,为推动连续变量量子密钥分发的实用化发展提供了切实有效的方法.

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.

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。

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。

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。