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。      

实际量子保密系统中偏振漂移对截听重发攻击的影响

研究了有偏振漂移的量子保密系统中的截听重发攻击问题.利用二维模型刻画密钥分发的过程.通过模型分析和研究计算,得到了合法通信者以及窃听者之间的关系式,掌握了系统的探测效率损耗,以及量子误码率的波动范围.筛后数据的互信息量显示,相比BB84协议,B92协议的互信息量低,这是由于B92协议将协议所用的量子态简化为两态所付出的代价.窃听者获取的信息可能多于合法通信者得到的信息,这也将威胁密钥产生的保密性.     

大气传播特性对量子密钥分发性能的影响研究

根据电磁波传播与散射理论,考虑衰减和去极化效应等因素,建立了地空极化编码单光子源的传播模型,研究了空气衰减和天顶角与密钥生成速率间的关系,并建立了交叉极化分辨率和系统误码间的关系式;分析并仿真了大气环境对量子密钥分发的影响;结果表明:大气衰减对量子密钥分发系统每秒密钥生成数的影响较大;降雨条件下引起的去极化效应则会造成量子误码率增加.     

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。     

一种基于量子纠错编码的量子密钥分配协议

量子加密从物理机制上保证了密钥分配的绝对安全,然而由于量子密钥分配过程中量子信道存在噪声,使得传输效率不高的量子密钥分配效率进一步降低。量子低密度奇偶校验(量子LDPC)码由于在码长和码率的选择方面具有巨大的灵活性,且信赖于稀疏图,已成为目前量子纠错编码的研究热点。该文借鉴经典纠错编码能够提高传输可靠性的特性,针对BB84协议,设计一种基于量子LDPC码的BB84协议。通过数值仿真,分析量子LDPC码对BB84协议的密钥传输效率的影响。结果表明基于量子纠错码的BB84协议的密钥传输效率得到提高,验证了在含噪量子信道中基于量子LDPC码的量子密钥分配协议的有效性。     

基于挑战-应答机制的量子密钥分发协议

基于BB84协议,利用挑战-应答机制,提出了一种量子密钥分发协议。发送方Alice和接收方Bob通过安全信道共享三个不同的Hash函数( , 和 ),以及随机比特串 。在每次密钥分发时,Alice产生随机比特串 （挑战信息）和 （密钥）,结合 和 ,基于BB84协议产生光子串 ;Alice将 和 发送给Bob,Bob接收到对应的 和光子串 ;Bob利用 ,结合 和 ,基于BB84协议对光子串 进行测量得到 。理想情况下共享密钥 。另外,Bob利用 , , 及 产生应答序列 ;Alice和Bob利用各自拥有的序列及 分别产生序列 和 ,并对各自的 做更新。在密钥分发过程中光子的利用率为百分百,该协议既有BB84协议类似的安全性,又有单向身份认证功能。     

路径攻击对量子密钥分发网络安全性的影响

对基于微弱相干脉冲的量子密钥分发网络的安全性进行了分析.在该量子密钥分发网络中,由于光学节点的插入损耗及用户之间量子信道损耗的影响,窃听者可以实施路径攻击来获取量子信息.这种路径攻击不会改变脉冲中的光子数分布及系统的密钥生成速率,且这种窃听行为可以利用量子信道的损耗进行隐藏.数据分析显示,即使诱惑态技术也无法防范路径攻击对密钥分发网络安全的威胁,而且随着平均光子数的增加,这种威胁越强.因此,在对量子密钥分发网络系统参数进行选择时,必须考虑路径攻击的影响.     

BB84协议的改进方案

BB84量子密钥分发协议是基于合法用户,没有涉及到用户的身份认证问题,因此协议很容易遭受中间相遇攻击.笔者提出了一种改进方案,不仅可以解决用户的身份认证问题,还可以大大提高获得有用密钥比特的效率.     

量子密钥分配协议的Petri网建模及安全性分析

量子密钥分配协议已经被证明具有无条件安全特性,但是证明过程比较复杂,不利于推广到其他量子密码协议的安全性分析和证明中.为了简化量子密码协议的安全性证明以及建立一种通用的证明方法,基于Petri网提出一种量子密钥分配协议的形式化分析方法,根据Biham的等效对称化攻击模型,将协议分为主体模型和攻击模型两部分,建立了BB84协议的Petn网模型,然后对模型进行安全性分析,分析结果表明, BB84协议是无条件安全的.该方法提高了安全性分析效率,形式上简洁统一,容易推广到其他量子密码协议的安全性分析中.     

基于单粒子态的双向认证多方量子密钥分发

量子密钥分发是一种重要的量子通信方式.为了提高量子密钥分发的可行性、安全性和效率,提出了一种基于单粒子态的具有双向认证功能的多方量子密钥分发协议.在协议中,量子网络中的任意两个用户均可在半可信第三方的帮助下进行双向认证并共享一个安全的会话密钥;协议中作为量子信息载体的粒子不需要存储,这在当前技术下更容易实现.安全性分析表明所提出协议在理论上是安全的.     

Quantum cryptography and quantum-key distribution with single photons

A brief overview of the current status of quantum cryptography is given. The results are presented of our preliminary experiments with free-space quantum-key distribution by means of single linearly polarized photons with coded polarization states according to the BB84 protocol, for which purpose a quantum-cryptography communication system is designed. Single photons are detected with a 50% probability using specially designed high-speed photodetectors based on silicon avalanche photodiodes, operated in Geiger mode with active avalanche quenching. A key generation rate of 3.8 kbit/s is obtained, the mean photon number per pulse being 0.2.     

基于预报单光子源的BB84诱惑态量子密钥分配研究

结合预报单光子源的量子密钥分配系统模型,介绍了三种典型的BB84诱惑态方案：主动诱惑态方案,被动诱惑态方案以及主动诱惑态思想和被动诱惑态思想相结合的方案。结合数值仿真深入分析了三种方案在性能、实现难度等方面的优缺点。结论表明被动诱惑态思想可以进一步提高BB84诱惑态方案的密钥生成效率;BB84被动诱惑态方案（AYKI方案）由于无需主动制备诱惑态,所以实现最为简单,密钥分配速度快,且方案性能趋近于无穷诱惑态的理论极限值;主动诱惑态思想和被动诱惑态思想相结合的方案性能虽然稍优于AYKI方案,但是改善空间很小。     

Experimental multiuser quantum key distribution network using a wavelength-addressed bus architecture

A six-user quantum key distribution network implemented on a bus topology is experimentally demonstrated. The network employs the BB84 protocol to transmit cryptographic keys encoded unto the phase states of highly attenuated laser light to distances of up to 31 km in a standard telecommunication-grade fiber. Each user on the network is assigned a unique wavelength for communication with the network server at a time. The measured quantum bit error rate and sifted key rate compare favorably with theoretical results.     

卫星量子通信的光子偏振误差影响与补偿研究

针对采用偏振编码的卫星量子通信中的偏振保持问题,研究了大气散射和卫星与地面站间相对运动对量子偏振态相位和对准的具体影响。仿真分析了量子偏振态相位延迟和对准误差对系统量子误码率影响,提出了一种新的BB84协议与半波片旋转相结合的偏振补偿方案。该方案通过对准提前量补偿的加入弥补原有补偿方案补偿过程中不能进行通信的缺陷,可基本实现零角度偏振误差,保证卫星量子通信的安全可靠性,且因该方案仅需在原有系统上添加一个半波片,易于实现。     

Elimination of Spatial Side-Channel Information for Compact Quantum Key Distribution Senders

For a compact quantum key distribution (QKD) sender for the polarization encoding BB84 protocol, an eavesdropper could take a side-channel attack by measuring the spatial information of photons to infer their polarizations. The possibility of this attack can be reduced by introducing an aperture in the QKD sender, however, the effect of the aperture on the QKD security lacks of quantitative analysis. In this paper, we analyze the mutual information between the actual keys encoded at this QKD sender and the inferred keys at the eavesdropper (Eve), demonstrating the effect of the aperture to eliminate the spatial side-channel information quantitatively. It shows that Eve’s potential on eavesdropping spatial side-channel information is totally dependent on the optical design of the QKD sender, including the source arrangement and the aperture. The height of compact QKD senders with integrated light-emitting diode (LED) arrays could be controlled under several millimeters, showing great potential on applications in portable equipment.     

一种基于光子偏振旋转的量子身份认证方案

实际的量子密钥分发过程中,传输损耗和探测器的效率都直接影响密钥的产生效率。量子身份认证需要通信双方保证认证信息的完整性。针对以上问题,提出了一种基于光子偏振旋转的量子身份认证协议,利用对认证信息的重复编码解决传输损耗问题。考虑到协议的安全性,该协议在相邻的有效认证量子态间编入随机态。安全性分析表明该协议可成功抵御截取重发攻击以及光子数劈裂攻击。在此基础上,设计了现有技术条件下可操作的认证系统方案,考虑了传输损耗和探测效率,具有实用意义。     

单光子偏振态实现量子密钥分配的方案(英文)

提出一个基于单光子偏振的量子密钥分配方案.在这个方案里, Alice首先制备一串任意单光子态,然后发送给Bob.Bob只需对其进行一个U操作,再发回Alice.最后Alice对单光子态进行测量,即可实现量子密钥分配.此方案需要一个无噪声信道,优点在于仅仅需要单光子态,以及局域操作和单光子偏振态的测量,这些都非常易于实现.最后其安全性也是有理论保证的.     

测量基对BB84协议安全性影响

 该文分析了窃听者采用不同测量基对经典BB84量子密钥分发协议进行测量重发攻击所能获得的信息量以及在接收端造成的比特错误概率,得到合法用户判断是否存在窃听重发攻击的比特错误率上限低于15%,从而为合法通信者间的安全通信和对窃听者的检测提供了新的判定依据。