基于量子催化的离散调制连续变量量子密钥分发

相比于离散变量量子密钥分发,连续变量量子密钥分发虽然具备更高的安全码率等优势,但是在安全传输距离上却略有不足.尽管量子催化的运用对高斯调制连续变量量子密钥分发协议的性能,尤其在安全传输距离方面有着显著的提升,然而能否用来改善离散调制协议的性能却仍然未知.鉴于上述分析,本文提出了一种基于量子催化的离散调制协议的方案,试图在安全密钥率、安全传输距离和最大可容忍过噪声方面进一步提升协议性能.研究结果表明,在相同参数下,当优化量子催化引入的透射率T,相比于原始四态调制协议,所提方案能够有效地提升量子密钥分发的性能.特别是,对于可容忍过噪声为0.002,量子催化可将安全通信距离突破300 km,密钥率为10^-8bits/pulse,而过大的可容忍噪声会抑制量子催化对协议性能的改善效果.此外,为了彰显量子催化的优势,本文给出了点对点量子通信的最终极限Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi边界,仿真结果表明,虽然原始方案与所提方案都未能突破这种边界,但是相比于前者,后者能够在远距离通信上逼近于这种边界,这为实现全球量子安全通信的最终目标提供理论依据.     

基于二进制均匀调制相干态的量子密钥分发方案

提出了一种基于二进制均匀调制相干态的量子密钥分发方案. 相对于高斯调制相干态量子密钥分发方案中的高斯信源,二进制信源是最简单的信源,二进制调制是目前数字光纤通信中最普遍的调制方式,技术上容易实现. 采用Shannon信息论分析了该协议抵抗光束分离攻击的能力,得到秘密信息速率与调制参数、解调参数以及信道参数之间的解析表达式. 关键词： 量子密钥分发 二进制调制 光束分离攻击     

离散调制连续变量量子密钥分发的安全边界

对一种结合离散调制和反向协调,适用于长距离传输的连续变量量子密钥分发四态协议的安全性进行了严格证明.这种协议中Alice发送的态与高斯调制协议中的有一定差异,这种差异可以等价成信道衰减和额外噪声.另外,由于Alice不可能做到精确调制,这会导致其发送的相干态中含有噪声.把这种调制引起的噪声看作光源的噪声,并推导出了在光源噪声不能被窃听者所利用的条件下的安全码率的下界.为了避免实验上快速、随机的控制本地振荡光的相位,还将无开关协议和四态协议相结合,分析了其安全性.     

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.     

基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案

量子密钥分发融合经典通信方案将连续变量量子密钥分发和经典通信合并到了一起,为将来在现有的光网络上同时进行密钥分发和经典通信提供了一个有效的方法.然而,在量子信号上叠加一个经典信号将会给连续变量量子密钥分发系统引入过噪声从而大大降低系统的性能.本文提出基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案,即在接收端插入光前置放大器来提升系统的性能.首先,在相同比特误码率条件下,光前置放大器对信号的放大能够降低对发送端经典信号调制振幅的要求,从而降低经典信号对量子信号的噪声影响;其次,光前置放大器能够补偿接收端探测器的不完美;再次,对于本地本振光的情形,放大器还能放大弱相位参考脉冲,从而降低参考脉冲散粒噪声带来的相位过噪声.在实际可达到的系统参数下,数值仿真结果表明本文提出的方案相比于原方案在安全密钥率和传输距离上都有很好的提升.这些结果表明本方案为量子密钥分发融合经典通信方案的进一步发展和实际应用提供了一个十分有效而实用的方法.     

基于信道估计的自适应连续变量量子密钥分发方法

为使连续变量量子密钥分发协议获得稳定的密钥生成率,需要根据信道变化动态调整发送光脉冲的强度.将光纤量子信道看作加性玻色量子高斯信道,给出高斯态通过玻色量子高斯信道仍得到高斯态的证明过程.通过平衡零差检测后,采用最大似然估计法得到了信道参数,进而根据估计的噪声大小自适应调整Alice发送的光脉冲的强度,从而获得稳定的密钥生成率. 关键词： 量子密钥分发 连续变量 玻色量子高斯信道 信道估计     

基于量子远程通信的连续变量量子确定性密钥分配协议

基于量子远程通信的原理, 本文借助双模压缩真空态和相干态, 提出一种连续变量量子确定性密钥分配协议. 在利用零差探测法的情况下协议的传输效率达到了100%. 从信息论的角度分析了协议的安全性, 结果表明该协议可以安全传送预先确定的密钥. 在密钥管理中, 量子确定性密钥分配协议具有量子随机性密钥分配协议不可替代的重要地位和作用. 与离散变量量子确定性密钥分配协议相比, 该协议分发密钥的速率和效率更高, 又协议中用到的连续变量量子态易于产生和操控、适于远距离传输, 因此该协议更具有实际意义.     

利用无噪线性光放大器增加连续变量量子密钥分发最远传输距离

如何提高实际量子密钥分发系统的安全码率和最远传输距离是量子密码学领域重要的研究课题. 本文采用量子无噪线性光放大器放大量子信号, 以改进连续变量量子密钥分发系统实际性能. 经仔细研究, 本文发现增益系数为g的线性无噪放大器可将连续变量量子密钥分发系统的最远安全传输距离提高20 log₁₀(g)/a km (a=0.2 dB/km为光纤信道的损耗系数), 并改善系统的安全码率和噪声抗性. 关键词： 量子密钥分发 连续变量 最远传输距离 线性无噪放大器     

高速连续变量量子密钥分发系统同步技术研究

在高速连续变量量子密钥分发系统中,位帧同步技术是确保准确获取量子信号所携带有效信息的核心技术之一。结合平衡零差探测器测量相干态的正则分量数据,提出了一种简单高效的位帧同步理论方案。基于此理论方案,在重复频率为25MHz的高斯调制相干态连续变量量子密钥分发系统上进行了实验测试和性能分析。结果表明,所提出的位帧同步方案能有效克服量子信号在密钥分发中受到的环境因素影响,有效实现通信双方同步。     

面向CVQKD量子-经典信号共纤传输技术研究

量子-经典信号共纤传输技术对实用化量子保密通信网络建设具有重要意义。针对经典光在光纤信道中的拉曼散射（RS）、四波混频（FWM）以及交叉相位调制（XPM）等非线性效应对量子信号的噪声干扰,构建了量子-经典信号共纤传输连续变量量子密钥分发（CVQKD）系统的安全密钥率仿真模型,重点分析了经典光功率、信道间隔和探测方式对系统噪声和密钥率的影响。结果表明,在近距离传输时,FWM噪声占主导地位,在传输距离大于10 km时,XPM噪声大于RS和FWM噪声。系统总噪声与经典光功率正相关,与波分复用信道间隔反相关。零差和外差检测下,随着传输距离的增加,安全密钥率整体变化趋势接近,零差检测方式具有更大的极限传输距离。该研究工作可为实用化量子-经典信号共纤传输CVQKD系统的优化设计提供参考。     

基于正交频分复用的连续变量量子密钥分发方案

正交频分复用技术已被广泛应用于量子密钥分发系统研究中,在此提出了基于正交频分复用的连续变量量子密钥分发方案,连续变量量子密钥分发过程中发送方以快速傅立叶反变换调制复用子载波,接收方以快速傅立叶变换得到原始频域子载波,并由系统协方差矩阵性能刻画出传输性能。仿真结果显示:正交频分复用技术能够提高连续变量量子密钥分发系统的传输密钥率。     

连续变量量子通信中的高斯调制

在连续变量量子通信,特别在连续变量量子保密通信中,高斯信源是一个重要的组成部分,它与通信系统的效率、安全性等核心问题有着紧密的联系.利用Shannon信息理论模型,本文研究了高斯信源对量子通信信道容量、量子保密通信安全性等问题的影响,给出了这些重要参数对高斯信源参数的依赖性,并给出了量子保密通信系统的安全性条件.在此基础上提出了一种高斯调制的实验实现方案,利用FPGA成功实现了连续变量量子信号的高斯调制.     

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.     

平衡零拍测量对连续变量量子密钥分配的影响

与单光子量子密钥分配采用单光子探测器不同，连续变量量子密钥分配采用平衡零拍测量技术.分析了由于参考光的真空噪声、分束器的透射率和反射率不相等引入的平衡零拍测量误差，以及平衡零拍测量探测器的电子噪声对连续变量量子密钥传输的最大安全距离的限制，给出了平衡零拍测量的探测噪声、电子噪声和密钥量之间的定量表达式.     

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。     

基于单脉冲多位编码的全光纤连续变量量子密钥分发

实现了一种基于单脉冲多位编码的离散调制连续变量量子密钥分发方案。该方案利用时分复用和偏振复用相结合的方式进行远距离光纤传输。实验光源采用脉宽为200ns,重复频率为1 MHz的准连续光。该准连续光的每一个光脉冲在时域上被分为四等份。对每小份都编码两个正交分量,从而增大了密钥率。在25 km光纤传输时,整套系统的安全码率为32.8 kbit/s。     

量子高斯密钥分发中后处理的安全性分析

在量子高斯密钥分发实验中,后处理是提升数据协调效率和保证安全密钥提取的关键技术之一。通过分层纠错协议给出一种具体后处理的数据协调方案,并采用准循环低密度奇偶校验码与传统低密度奇偶校验码相级联的方式对信息进行压缩编码。结合零拍探测下的连续变量量子密钥分发,分析了个体攻击和集体攻击下采用正向协调和逆向协调的实验方案中密钥提取的安全性。实验结果表明:在码长为2×10~5,三、四级码率为0.3 0.95的数据协调方案中协调效率可达91.2%。采用最优攻击下可提取安全密钥量为3.98 kbit/s,而传输距离达30 km左右,证明了所提协调方案的安全性,能够满足城域网络的通信要求。     

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。     

连续变量Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态光场在光纤信道中分发时纠缠的鲁棒性

Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态光场是实现基于光纤的连续变量量子信息处理的重要量子光源,其在光纤信道分发时会与信道相互作用发生解纠缠,影响量子信息处理的性能.本文利用部分转置正定判据分析了Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态光场在单通道和双通道光纤信道分发方案中,其初始态的关联正交分量对称性、模式对称性、纯度和光纤信道额外噪声对传输距离、纠缠态光场的纠缠特性及鲁棒性的影响.在单通道和双通道方案中,光纤信道的额外噪声都会引起纠缠态光场的解纠缠,随着噪声的增大,传输距离迅速减小.要保持Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态光场在光纤损耗信道中的纠缠鲁棒性,双通道方案比单通道方案对初始态的关联正交分量对称性和纯度方面的要求更为苛刻.而且单光纤噪声通道分发方案对模式对称性参数不敏感,模式对称性参数变化不会引起解纠缠,也不影响最大传输距离和纠缠鲁棒性特征;在双光纤噪声通道分发时,模式不对称参数降低会减小最大传输距离,并出现纠缠突然死亡.     

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.