诱惑态在“双探测器”准单光子光源量子密钥分发系统中的应用

现在诱惑态已被证明是一种可以大大提高量子密钥分发安全性能的现实可行的方法.由于考虑到现实应用中激光器在调制过程中的消光比不能做到100%,以及激光器固有的自发辐射因而使得制备真空态并不是一件容易的事情. 因此本文将对理想情况下准单光子光源量子密钥分发系统应用中的诱惑态结论作了补充和扩展,提出了两个弱光强态的诱惑态方案和一个弱光强诱惑态方案.最后,将“双探测器”的理论应用在准单光子源(HSPS)光源系统中,使系统的安全传输距离可达到2215km,比使用普通探测器的系统增加了约50km. 关键词： 量子密钥分发 诱惑态 HSPS光源 双探测器     

诱惑态在“双探测器”准单光子光源量子密钥分发系统中的应用

现在诱惑态已被证明是一种可以大大提高量子密钥分发安全性能的现实可行的方法.由于考虑到现实应用中激光器在调制过程中的消光比不能做到100%，以及激光器固有的自发辐射因而使得制备真空态并不是一件容易的事情. 因此本文将对理想情况下准单光子光源量子密钥分发系统应用中的诱惑态结论作了补充和扩展，提出了两个弱光强态的诱惑态方案和一个弱光强诱惑态方案.最后，将“双探测器”的理论应用在准单光子源(HSPS)光源系统中，使系统的安全传输距离可达到2215km，比使用普通探测器的系统增加了约50km.     

奇相干光源的测量设备无关量子密钥分配研究

刻画了奇相干光源的光子数分布特征,研究了奇相干光源下诱骗态测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率与安全传输距离的关系,推导了奇相干光源下的计数率下界和误码率上界.仿真结果表明,奇相干光源光子数分布中多光子脉冲的比例低于弱相干光,可以有效提高诱骗态测量设备无关密钥分配系统的最大安全通信距离,为实用的量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

基于相干叠加态的非正交编码诱骗态量子密钥分发

非正交编码协议和诱骗态方法可以有效地抵御光子数分离攻击. 由于相干叠加态中单光子成分高达90%, 常作为单光子量子比特的替代出现, 用于量子信息过程处理和计算. 本文结合非正交编码协议和诱骗态方法提出一种新的量子密钥分发方案, 光源采用相干叠加态, 推导了单光子的密钥生成速率、计数率下限和误码率的上限, 利用Matlab 模拟了无限多诱骗态情况下和有限多诱骗态情况下密钥生成速率和传输距离的关系, 得出该方案可以提升密钥生成速率并且提高安全传输距离, 验证了该方案可以进一步提高量子密钥分发系统的性能.     

光子数分束攻击对星地量子密钥分配系统安全的影响

由于仪器设备性能的不完美和信道传输损耗的存在,光子数分束(PNS)攻击对采用弱相干脉冲(WCP)光源的量子密钥分配(QKD)系统的安全性构成重大威胁.以基于WCP光源的星地QKD系统为研究对象,推导了在PNS攻击者采用最佳窃听策略进行窃听时,保证密钥绝对安全的最大天顶角和可采用的平均光子数之间的关系.理论分析和计算结果表明,星地QKD系统的最大安全传输天顶角和可使用的平均光子数等重要系统参数的取值上限均受PNS攻击的限制,最终系统的密钥交换速率和系统容量受到限制.对星地QKD系统的传输容量来说,天顶角和平均光子数是一对矛盾的影响因素.提供了一种对实际星地QKD系统的天顶角和平均光子数参数进行估算的方法.     

标记单光子源在量子密钥分发中的应用

本文主要介绍标记单光子源的制备、特性,及其在3种主流量子密钥分发(BB84,测量设备无关,双场)协议中的应用与发展,同时通过对比标记单光子源和基于弱相干态光源在同类协议中的性能,分析讨论不同光源的优缺点.此外,针对双场量子密钥分发协议中对单光子干涉特性的要求,分析了标记单光子源在双场协议应用中的局限性,并讨论了可能的解决方案,对今后发展实用化量子保密通信系统将起到有价值的指导和推进作用.     

基于条件参量下转换光子对的非正交编码诱惑态量子密钥分发

诱惑态方法和非正交编码协议可以有效的抵制光子数分束攻击,所以近来得到了广泛的关注.这里结合了这两种方法提出了一种新方案,光源采用呈泊松分布的参量下转换光子对,发送方随机的改变抽运光的强度获得不同强度的信号光,信号态用来产生密钥,诱惑态用来监测窃听,并估算单光子和两光子的计数率和量子误码率,模拟了密钥产生率与传输距离的关系曲线,分析了该方案可以进一步提高安全量子密钥分发的性能.     

基于标记配对相干态和轨道角动量的量子密钥分配

针对标记配对相干态(HPCS)下量子密钥分配协议采用极化编码和相位编码带来基的依赖性问题,研究了基于HPCS和轨道角动量(OAM)的非对称信道测量设备无关的量子密钥分配协议。分析了该协议在不同距离比率下的平均光子数、误码率、密钥生成率与信道传输损耗的关系。在HPCS和OAM下,对比了对称信道和非对称信道测量设备无关的量子密钥协议的性能优劣。仿真结果表明:采用HPCS弥补了弱相干光源和标记单光子源的不足,大大减少真空脉冲并增加了单光子脉冲;随着信道传输损耗的增大,密钥生成率和安全传输距离逐渐减小,但非对称信道的性能仍优于对称信道的。     

基于轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发

提出了一种基于标记配对相干态(HPCS)和轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发(RRDPS-QKD)方案,以光子轨道角动量作为信息载体,使用多种不同拓扑荷的轨道角动量的叠加态进行RRDPS-QKD的信息编码,显著提高了密钥生成率。使用HPCS作为量子光源,有效减小了空脉冲和多光子脉冲的比例,提高了密钥生成率。分析了光源在湍流大气信道中的传输特性,考虑了信道衰减和大气湍流对系统性能的影响。     

基于预报单光子源和探测器诱骗态的循环差分相移量子密钥分发协议

提出一种基于预报单光子源和探测器诱骗态的循环差分相移量子密钥分发协议,简称HSPS-DD-RRDPSQKD协议。在详细推导协议密钥生成率的基础上,给出了相关数值仿真,并分别与基于弱相干光源和探测器诱骗态的循环差分相移量子密钥分发(WCS-DD-RRDPS-QKD)协议和诱骗态的BB84协议进行了性能比较。结果表明,随着脉冲序列长度L的增大,其密钥生成率和最远传输距离都相应减小;当脉冲序列长度L=16时,HSPS-DDRRDPS-QKD协议较WCS-DD-RRDPS-QKD协议,安全通信距离提高了约100km,密钥生成率提升了近一个数量级;当系统错误率为9.5%时,HSPS-DD-RRDPS-QKD协议的密钥生成率较诱骗态的BB84协议的提升了近两个数量级。     

预报单光子源诱骗态量子密钥产生率及数值计算

独立推导预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率计算公式,讨论密钥产生率和发送端探测效率的关系;进行弱相干光和预报单光子源诱骗态量子密钥分发的最优强度估计和密钥产生率数值计算.结果表明,预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率随着发送端探测效率的增加而增加,其安全通信距离与完美单光子源的通信距离一致;诱骗态量子密钥分发可提高安全通信距离和密钥产生率;预报单光子源由于减少了暗计数的影响,进一步提高了安全通信距离.     

Decoy-state reference-frame-independent quantum key distribution with both source errors and statistical fluctuations

Reference-frame-independent quantum key distribution(RFI QKD) can generate secret keys without the alignment of reference frames, which is very robust in real-life implementations of QKD systems. However, the performance of decoystate RFI QKD with both source errors and statistical fluctuations is still missing until now. In this paper, we investigate the performance of decoy-state RFI QKD in practical scenarios with two kinds of light sources, the heralded single photon source(HSPS) and the weak coherent source(WCS), and also give clear comparison results of decoy-state RFI QKD with WCS and HSPS. Simulation results show that the secret key rates of decoy-state RFI QKD with WCS are higher than those with HSPS in short distance range, but the secret key rates of RFI QKD with HSPS outperform those with WCS in long distance range.     

Practical non-orthogonal decoy state quantum key distribution with heralded single photon source

Recently the performance of the quantum key distribution （QKD） is substantially improved by the decoy state method and the non-orthogonal encoding protocol, separately. In this paper, a practical non-orthogonal decoy state protocol with a heralded single photon source （HSPS） for QKD is presented. The protocol is based on 4 states with different intensities. i.e. one signal state and three decoy states. The signal state is for generating keys; the decoy states are for detecting the eavesdropping and estimating the fraction of single-photon and two-photon pulses. We have discussed three cases of this protocol, i.e. the general case, the optimal case and the special case. Moreover, the final key rate over transmission distance is simulated. For the low dark count of the HSPS and the utilization of the two-photon pulses, our protocol has a higher key rate and a longer transmission distance than any other decoy state protocol.     

基于不可信光源的量子密钥分配的统计特性研究

通过比较被动系统与主动系统的特性, 得出可信光源、不可信光源主动系统和不可信光源被动系统的密钥生成率随距离的变化关系; 采用标准误差分析法, 得到相应变量的偏离量; 基于诱骗态方案分析不可信光源被动系统暗计数率和光源强度参数波动对系统安全特性的影响, 得出在1310 nm 和1550 nm通信窗口下, 系统最大安全通信距离范围分别为[73.2 km, 96.5 km] 和[104.5 km, 137.9 km]. 这可为实用量子通信实验提供重要的理论参数. 关键词： 量子密钥分配 不可信光源 被动系统 统计波动     

Experimental realization of quantum cryptography communication in free space

Quantum cryptography is a new secure communication protocol with the combina- tion of quantum mechanics and information theory[1]. Its security depends on the laws of physics and has been proved strictly[2,3]. Quantum communication is the art of generat- ing and transmitting the keys through a quantum channel between two parties, usually called Alice and Bob. Unlike the classical key distribution, the quantum keys are gener- ated in the process of transmission instantaneously. The keys can be…     

Experimental quantum key distribution with decoy states

To increase dramatically the distance and the secure key generation rate of quantum key distribution (QKD), the idea of quantum decoys--signals of different intensities--has recently been proposed. Here, we present the first experimental implementation of decoy state QKD. By making simple modifications to a commercial quantum key distribution system, we show that a secure key generation rate of 165 bit/s, which is 1/4 of the theoretical limit, can be obtained over 15 km of a telecommunication fiber. We also show that with the same experimental parameters, not even a single bit of secure key can be extracted with a non-decoy-state protocol. Compared to building single photon sources, decoy state QKD is a much simpler method for increasing the distance and key generation rate of unconditionally secure QKD.     

Improving Key Rate of Optical Fiber Quantum Key Distribution System Based on Channel Tomography

We investigate the key rate of polarization-coded optical fiber-based quantum key distribution system (QKD) with BB84 protocol by channel tomography. The quantum bit error rate (QBER) of the QKD system under depolarizing channel is obtained by analyzing output density operators, transmission rate of channel, transmission rate of the receiver and dark count of single photon detector. According to the estimated QBER an LDPC chosen adaptively is applied to information reconciliation and the practical final key rate is discussed. Analysis results show that compared with cascade scheme and no channel knowledge the key rate can be improved by the proposed reconciliation scheme with channel tomography.