连续变量量子密钥分发多维数据协调算法

数据协调是量子密钥分发的重要组成部分,特别是连续变量量子密钥分发远程化的关键环节。在Leverrier等关于多维协调安全性证明的基础上,给出了面向多维协调的低密度奇偶校验码(LDPC)错误校正算法,考查了该算法的最小收敛信噪比阈值,并估算出基于这种多维数据协调方案的量子密钥分发的最大密钥传输距离,经过协调效率的计算以及噪声分析估算出最大安全密钥量。算法仿真结果表明:Alice和Bob之间的传输距离与分层错误校正协议(SEC)相比,从30km增加到47km左右,译码速度是SEC的4倍左右,密钥传输速率可以达到8.61kb/s。     

基于双边类型低密度奇偶校验码的连续变量量子密钥分发多维数据协调

在连续变量量子密钥分发(CVQKD)多维数据协调过程中,低密度奇偶校验码(LDPC)的纠错性能直接影响协调效率和传输距离。构造了一种双边类型的低密度奇偶校验码(TET-LDPC),引入了类似于重复累积码中的累积结构以提高其纠错性能,在多维数据协调算法中得到了更小的收敛信噪比、更高的协调效率以及更远的传输距离。仿真结果表明:当TET-LDPC的码率为0.5,分组码长为2×10~5时,收敛信噪比降至1.02dB,协调效率达到了98.58%,安全密钥率达到17.61kb/s,CVQKD系统的传输距离提高为44.9km。     

连续变量量子密钥分发的数据逆向协调

基于多级编码/多级译码(MLC/MSD)系统实现了连续变量量子密钥分发的逆向数据协调。讨论了高斯连续变量量化过程中使互信息量最大时最佳量化区间的选取,并且通过理论计算给出了信噪比为4dB的情况下各级等价信道的最佳码率。协调方案中选择低密度奇偶校验码(LDPC)作为信道编码,结合边信息译码原理最终通过LDPC迭代译码算法实现了数据的逆向协调。     

量子保密通信的技术现状及安全性

理论上，量子密钥分发可以带来绝对安全的保密通信．但是真实系统的量子密钥分发的安全性需要进一步证明．现有的基于弱相干态的量子密码实验在光子数分离攻击下是完全不安全的．诱骗信号方案（decoy-state method）及纠缠对分发方案可以实现基于现有技术的、真实系统的绝对安全量子密钥分发．     

基于PEG算法的连续变量量子密钥分发多维数据协调

针对连续变量量子密钥分发系统数据协调过程中效率偏低而造成的密钥量不易提取的问题,本文引入PEG(Progressive-edge-growth)算法构造合适度分布的LDPC校验矩阵,译码时采用LLR-BP译码算法。仿真结果表明,相同度分布下PEG方法构造出的校验矩阵比传统Mackay方法构造出的校验矩阵在译码时,能够更快达到收敛,并且在码率为0.5,码长为10~5时,PEG协调方案协调效率达到93.4%,提取到的安全密钥量为5.41 kb/s,信息传输距离为44.5 km。     

连续变量量子密钥分发多维数据协调算法优化

针对连续变量量子密钥分发(CVQKD)通信距离较短的问题,在多维数据协调方案的基础上,利用连续密度进化和差分进化方法,设计出优质度数分布的低密度奇偶校验(LDPC)码,并提出LDPC码码字重复方法,进一步提高多维数据协调的效率,有效地降低了收敛信噪比,延长了信息传输距离。实验仿真结果表明:在分组码长为106时,收敛信噪比能够降低至-6dB以下,协调效率可达90.27%,提取到的安全密钥量为0.22kb/s,信息传输距离超过80km,该方法可有效延长CVQKD系统的通信距离。     

利用诱骗信号方案进行实用的量子密钥分发

真实量子密钥分发系统中不完善的单光子源和信道损耗的存在,使得现有基于弱相干态的量子密码实验在分束攻击下并不安全,诱骗信号方案能实现基于现有技术绝对安全的量子密钥分发,并能有效提高密钥分发率和安全传输距离,因此成为近年来量子通信研究的热点问题.结合现实量子密码系统的一般模型,介绍目前几种典型的诱骗信号方案以及实验进展,综述了诱骗信号方案的发展情况和最新成果,并对未来的研究方向进行了展望.     

基于四态协议的半量子密钥分发诱骗态模型的有限码长分析

半量子密钥分发允许一个全量子用户Alice和一个经典用户Bob共享一对由物理原理保障的安全密钥.在半量子密钥分发被提出的同时其鲁棒性获得了证明,随后半量子密钥分发系统的无条件安全性被理论验证. 2021年基于镜像协议的半量子密钥分发系统的可行性被实验验证.然而,可行性实验系统仍旧采用强衰减的激光脉冲,已有文献证明,半量子密钥分发系统在受到光子数分裂攻击时仍旧面临密钥比特泄露的风险,因此,在密钥分发过程中引入诱骗态并且进行有限码长分析,可以进一步合理评估密钥分发的实际安全性.本文基于四态协议的半量子密钥分发系统,针对仅在发送端Alice处加入单诱骗态的模型,利用Hoeffding不等式进行了有限码长情况的安全密钥长度分析,进而求得安全密钥率公式,其数值模拟结果表明,当选择样本量大小为10⁵时,能够在近距离情况下获得10^-4bit/s安全密钥速率,与渐近情况下的安全密钥率相近,这对半量子密钥分发系统的实际应用具有非常重要的意义.     

高斯量子密钥分发数据协调的性能优化

针对高斯量子密钥分发的数据协调问题,对高斯连续变量进行了最优量化,实现了Alice和Bob之间的互信息量最大。在分层错误校正(SEC)协议和多电平编码/多级解码(MLC/MSD)协议的基础上,各级码流采用了低密度奇偶校验码(LDPC)进行错误校正,并推出了一次硬信息级间迭代更新公式参与MSD译码算法。算法实现中使用双向十字链表方式存贮LDPC码的稀疏矩阵H,并用C语言实现整个数据协调过程,极大地降低了空间复杂度,提高了协调速度。实验仿真结果表明该算法可在信道信噪比4.9dB以上实现2×105个连续变量序列的可靠协调,协调效率达91.71%,在2.4GHz CPU,32G内存服务器平台上的协调速度可达7262bit/s。     

量子密钥分发私密放大的实现

在量子密钥分发系统中,私密放大是合法通信双方提取共享安全密钥的一个必不可少的环节.本文主要介绍了实现私密放大的两种加速算法,采用将两种加速算法进行有效组合的方法,既可以保证私密放大的安全性,同时又有效地减少了运算的操作次数.在连续变量量子密钥分发实验系统中,采用上述组合加速算法,实现了安全密钥的提取.     

一种新的单光源多波长双向量子密钥分发系统

针对"即插即用"双向量子密钥分发系统传输效率低的实际问题, 详细分析了系统低效的原因和当前的解决方案, 提出了一种单光源多波长双向量子密钥分发方案. 该方案采用波分复用器件作为滤波器来产生量子密钥分发所需的多波长信号. 与其他多波长方案相比, 该方案的优点是在实现高速多波长量子密钥分发时, 不再受外界控制源调制速率和精度等性能的影响, 不再带来多激光器引入的边信道攻击的缺陷, 且整体系统易于集成. 该方案为"即插即用"量子密钥分发系统的高效研究提供了一个新的参考方案.     

用于多维数据协调的双边类型LDPC码

在连续变量量子密钥分发(CV-QKD)多维数据协调中,协调效率和密钥传输距离取决于低密度奇偶校验(LDPC)码的纠错性能。在本研究中构造了一种拥有重复累积(RA)码中累积结构的高码率双边类型LDPC码(TET-LDPC),这种双边类型LDPC码在多维数据协调中相比于普通LDPC码可以得到更好的协调性能。经仿真结果可知,在信噪比为1.68 dB时,本文构造的码长为2×10~5的TET-LDPC的协调效率仍然可以达到98.48%,并得到了17.35 kb/s的安全密钥率。     

光纤偏振编码量子密钥分发系统荧光边信道攻击与防御

实际安全性是目前量子密钥分发系统中最大的挑战.在实际实现中,接收单元的单光子探测器在雪崩过程的二次光子发射(反向荧光)会导致信息泄露.目前,已有研究表明该反向荧光会泄露时间和偏振信息并且窃听行为不会在通信过程中产生额外误码率,在自由空间量子密钥分发系统中提出了利用反向荧光获取偏振信息的攻击方案,但是在光纤量子密钥分发系统中暂未见报道.本文提出了在光纤偏振编码量子密钥分发系统中利用反向荧光获取信息的窃听方案与减少信息泄露的解决方法,在时分复用偏振补偿的光纤偏振编码量子密钥分发系统的基础上对该方案中窃听者如何获取密钥信息进行了理论分析.实验上测量了光纤偏振编码量子密钥分发系统中反向荧光的概率为0.05,并对本文提出的窃听方案中的信息泄露进行量化,得出窃听者获取密钥信息的下限为2.5×10~(–4).     

基于六光子量子避错码的量子密钥分发方案

量子信道中不可避免存在的噪声将扭曲被传输的信息,对通信造成危害。目前克服量子信道噪声的较好方案是量子避错码（QEAC）。将量子避错码思想用于量子密钥分发,能有效克服信道中的噪声,且无需复杂的系统。用六光子构造了量子避错码,提出了一种丛于六光子避错码的量子密钥分发（QDK）方案。以提高量子密钥分发的量子比特效率和安全性为前提,对六光子避错码的所有可能态进行组合,得到一种六光子避错码的最优组合方法,可将两比特信息编码在一个态中,根据测肇结果和分组信息进行解码,得到正确信息的平均概率为7／16。与最近的基于四光子避错码的克服量子信道噪声的量子密钥分发方案相比,该方案的量子比特效率提高了16．67％,密钥分发安全性足它的3．5倍。     

基于微弱相干脉冲稳定差分相位量子密钥分发

基于差分相位量子密钥分发协议，对微弱相干光脉冲相位差进行编码，在接收端采用Faraday-Michelson系统进行解码.这种量子密钥分发系统具有密钥生成效率高、接收端干涉稳定性好、极限传输距离长等优点，同时还具有光路结构简单、易于在现有的技术条件下实现等特点，特别适用于远程光纤量子密钥分发.在实验系统中利用嵌入式微处理系统来控制量子密钥分发过程，进行了76 km的稳定光纤量子密钥分发实验，其原始密钥的误码率为5.3%. 关键词： 分相位 量子密钥分发 安全性 稳定性     

量子密钥分发与量子安全直接通信

量子通信具有高安全性等优点,是当前的国际研究前沿,量子安全直接通信和量子密钥分发是两种重要的量子信息方式.量子密钥分发通过量子信道产生随机的密钥,而量子安全直接通信直接在量子信道中传输秘密信息.本文力图利用浅显易懂的语言介绍量子安全直接通信和量子密钥分发的基本原理;重点描述几个典型的量子安全直接通信方案,介绍目前的发展状态并展望未来.     

基于峰值补偿的连续变量量子密钥分发方案

在实际的连续变量量子密钥分发系统中,接收端模数转换器的有限采样带宽会导致脉冲峰值采样结果不准确,从而使参数估计过程产生误差,给窃听者留下了安全性漏洞.针对这个问题,本文提出一种基于峰值补偿的连续变量量子密钥分发方案,利用高斯脉冲的基本特性来估计每个脉冲的最大采样值与脉冲峰值之间的偏差,从而对该采样值进行峰值补偿,使系统得到正确的采样结果.本文详细分析了有限采样带宽对系统安全性的影响,阐述了峰值补偿的具体步骤,并讨论了峰值补偿前后系统估计的过噪声差别,及其在高斯集体攻击下的安全性.仿真实验结果表明,该方案能准确找到每个脉冲的峰值,纠正系统的参数估计误差.与不采用峰值补偿的方案相比,本方案消除了系统重复频率对密钥比特率的限制,具有更长的安全传输距离和更高的密钥比特率.     

50 km无特征源的测量设备无关量子密钥分发实验

测量设备无关量子密钥分发协议可以免疫所有测量端的漏洞，极大地推进量子保密通信的实用化进程。美中不足的是，该协议依然对源端有极强的安全性假设。源端设备的非完美性同样会留下多种侧信道，从而威胁系统的实际安全性。针对此问题，提出无特征源测量设备无关量子密钥分发协议。该协议在量子态制备不完美的情况下依然可以提取出安全的密钥，是理论无条件安全性与实际安全性的完美结合。通过三强度诱骗态方法以及自行研制的Sagnac-Asymmetric-Mach-Zehnder编码结构，成功搭建无特征源的测量设备无关量子密钥分发系统，并在长为50.4 km的光纤信道和25 MHz的系统重复频率下达到1.91×10^-6的安全密钥分发速率。     

采用纠缠辅助量子LDPC码和检错重传策略的 量子直传通信方案

针对现有量子信息直传协议在有噪音量子信道下传输效率低及可靠性差的问题,提出了一种有效利用纠缠资源的量子安全直传通信方案.通过收发双方共享纠缠粒子作为辅助比特,采用纠缠辅助量子低密度校验码对量子态信息进行前向纠错保护,以提高系统在噪音环境下的传输可靠性.同时采用自动请求重传策略对量子态信息进行检错编码保护,当因窃听或强噪音导致译码获得的信息不正确时,则请求发端对该组信息进行编码重传操作.文中对所选用纠缠辅助量子低密度校验码在量子退极化噪音信道下的迭代译码性能进行了仿真,最后对方案的安全性进行了分析论证.     

高稳定的差分相位编码量子密钥分发系统

在差分法基础上提出了一种改进的差分相位编码量子密钥分发(QKD)方案.Alice采用脉冲激光光源,通过两个串联光纤延迟环产生四个均匀的相干脉冲，并对脉冲进行差分调制，补偿了传输过程中环境对偏振的扰动.Bob采用双FM干涉仪,在窄脉冲门控模式下进行单光子探测.单程传输避免了木马攻击，增强了方案的安全性.实验结果表明，系统可以长期稳定运转(大于24h)，误码率为3％.改进的系统具有高效、稳定、低成本的优点，实施方便，有很好的实用价值. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 差分相位编码