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。      

光束轨道角动量的量子通信编码方法研究

高阶Bessel无衍射光束具有轨道角动量,并且是在自由空间中传播时一定范围内横向强度分布保持不变的单色光场,光场中的每个光子都具有确定的轨道角动量 ,在每一本征模中由光量子携带的角动量数由拓扑荷 表示,本征态 可被用于多维量子纠缠。文中基于高阶Bessel光束,提出一种利用具轨道角动量光子正交态作为信息载体实现光通信的方法,每光子携带有确定的轨道角动量态,可以提高通信协议的密钥生成效率,也为增加光通信距离提供一种量子解决方案。     

基于指示单光子源和轨道角动量的密钥分配协议的波动分析

针对基于指示单光子源的测量设备无关量子密钥分配协议存在基的依赖性问题和信源统计波动问题,研究了基于服从泊松分布的指示单光子源和轨道角动量的量子密钥分配协议,并进行了统计波动分析。分析了对称信道和非对称信道下,该协议的单边传输效率、密钥生成速率与安全传输距离的关系,模拟了信源的统计波动对该协议密钥生成速率和传输距离的影响。仿真结果表明,应用轨道角动量编码解决了该协议基的依赖性问题,提高了密钥生成速率和安全传输距离。统计波动对该协议密钥生成速率的影响随着传输距离的增大而扩大,在脉冲数量相同时,非对称信道下的密钥生成速率、安全传输距离大于对称信道下的。     

光子轨道角动量的量子操控与应用

光子轨道角动量具有光学涡旋结构和高维特性,在经典和量子领域都展示出巨大的应用潜力。基于本课题组的研究工作,综述了如何在实验上实现高维量子逻辑门,如三比特的Toffoli门和Fredkin门等,以及利用偏振和轨道角动量的超纠缠特性对不同模式的振幅和相位进行调制。进一步介绍了深度学习算法在坐标系未校准条件下进行光子轨道角动量模式精确识别的应用研究。此外,还介绍了利用量子隐形传态技术实现不同光学自由度间量子态传输以及四维光子轨道角动量贝尔态的制备方案。     

基于奇相干光源和轨道角动量的量子密钥分配协议

针对基于弱相干光源(WCS)和轨道角动量(OAM)的测量设备无关量子密钥分配(MDI-QKD)协议的密钥生成率较低的问题,研究了基于奇相干光源(OCS)和OAM的MDI-QKD协议,并对其性能参数进行了分析。分析了密钥生成率、探测器的品质因子与安全传输距离之间的关系,并对比了基于OCS和OAM的MDI-QKD协议与基于WCS和OAM的MDI-QKD协议的性能优劣。仿真结果表明,随着安全传输距离的增大,密钥生成率减小。采用OCS大大减少了多光子脉冲数,弥补了WCS的不足,而采用OAM解决了基的依赖性缺陷问题,从而增大了最大安全传输的距离,该研究为实用的量子密钥分配协议提供了重要的理论参考。     

基于任意BELL态的量子密钥分配

为了提高量子密钥分配的安全性和效率,利用量子纠缠交换的规律,提出了基于纠缠交换的量子密钥分配协议。通信双方通过简单的BELL测量建立起共享密钥,窃听者不可能窃取密钥而不被发现。该协议与其它分配协议的不同在于,可以实现对任意两个BELL态进行BELL测量达到量子密钥分配的目的。协议的实现只需要EPR粒子对,而不需要制备多粒子纠缠态。分析结果表明,此协议只用到两粒子的纠缠态,不需要进行幺正操作,它不仅能够保证密钥分配的安全性,而且简单高效。     

大气湍流对单光子通信中光子态的影响

为了研究光子态在大气湍流中的变化规律,基于拉盖尔-高斯光束横向空间波函数(光子轨道角动量的本征函数)以及湍流大气中拉盖尔-高斯光束光子态(可由各本征光子态叠加构成),得到了湍流大气中光子态的探测概率,并分析了大气湍流、传输距离、质量因子对光子态的影响。结果表明,质量因子是决定发射光子态跳变的重要因素,相同质量因子的光子态在接受端的测量权重基本相同,且质量因子值越大原光子态测量权重越小。同时,在湍流大气的影响下,从原光子态跳变到轨道角动量增加某值的光子态的测量权重总和与跳变到减小相应轨道角动量的光子态的测量权重总和基本相同;随着湍流强度或传输距离的增加,发射光子态在接受端的光子测量权重不断减小,而且湍流强度对光子态测量权重的影响比距离的大。     

基于不同光源下的诱骗态双向QKD协议研究

在量子密钥分配系统的光源特征研究中,通过实验分析了标记单光子源(HSPS)对基于诱骗态双向QKD协议系统安全性的影响。首先,基于诱骗态方法和双向QKD协议,给出使用HSPS的诱骗态双向QKD协议中单光子、双光子的计数率下限和误码率上限的计算公式;其次,计算出相应的安全密钥率公式;最后通过数值模拟,比较了不同光源下的诱骗态双向QKD协议的安全密钥率和安全传输距离,模拟结果表明HSPS光源相比WCP光源在安全密钥率和传输距离方面具有明显优势。     

微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的特性北大核心CSCD

提升量子光源在量子信息处理方面的编码容量是量子技术发展亟需解决的问题。轨道角动量作为光子一个独特的自由度,其空间模式分布会形成无限维完备的希尔伯特空间正交解,因此利用光子的轨道角动量进行编码可以极大地提高信息处理的容量,是高维量子信息处理的重要资源。具有二能级系统的量子光源可以等效成点光源,在微纳尺度下对量子光源进行调制产生轨道角动量是拓展片上集成量子光源编码维度的有效方法之一。主要探讨了点光源在微环谐振腔中产生轨道角动量叠加态的特性。首先介绍了角向光栅对微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的调制机理;然后研究了微环谐振腔的腔量子电动力学效应对点光源辐射子的辐射速率和收集效率的影响,并对单光子纯度进行了分析;最后研究了点光源产生轨道角动量叠加态的电场分布、相位分布及矢量偏振特性,不仅分析了微环谐振腔中不同位置的点光源对腔模及轨道角动量的影响,还对出射轨道角动量叠加态的纯度进行了详细分析。该研究为集成轨道角动量光量子器件的发展提供了有效的方法,对进一步了解微纳尺度下产生轨道角动量的机理和性质有良好的促进作用。     

光子轨道角动量在量子通信中应用的研究进展

轨道角动量是光子的量子态,具有轨道角动量的光束在光通信等领域中得到了广泛的应用,是目前国内外研究的热点方向之一,特别是轨道角动量可作为自由空间量子信息物理载体的重要选择,这将对量子通信领域带来重要的影响。介绍了光子轨道角动量的定义、产生,简要列举当前的相位、偏振编码经典的两类量子密码通信方案以作对照,以提出的光子轨道角动量密码通信方案为例,着重介绍了光子轨道角动量在量子通信中的应用研究及展望。     

单光子斜程量子信道纠缠角动量的大气湍流效应

分析了von Karman型湍流大气对量子光信道中传输的由参量下转换源生成纠缠轨道角动量态的影响。运用Rytov近似、波相位结构函数的平方近似和修正von Karman折射率起伏谱,研究了完整包含大气湍流引入振幅与位相起伏效应的斜程湍流大气通信信道中单光子纠缠轨道角动量态的测量概率模型,建立了长曝光与短曝光两种曝光条件下斜程湍流大气传输单光子纠缠轨道角动量态的测量概率理论关系。数值研究了天顶角分别为θ=π/6和θ=π/3时的长短或曝光情况下,轨道角动量态纠缠光子对联合概率随着传输距离的变化。数值结果表明：在z〈500m的传输距离内,纠缠光子对的联合检测概率随传输距离增加而快速下降,但传输距离达z〉1000m后联合检测概率几乎不再下降;结果也发现,携带轨道角动量小的纠缠光子对的联合测量概率减少率比携带轨道角动量大的纠缠光子对的联合测量概率的要小;光束传输天顶角越大,联合概率下降幅度越大。     

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。     

量子密钥误码系数分析及对密钥分配的影响

分析了基于微弱相干脉冲量子密钥分配的误码系数,结果表明,误码系数并非为一固定常数,而是随着传输距离增加而变化。根据实验数据对误码系数与传输距离之间的关系进行了函数拟合,3个实验小组数据拟合出能够很好地符合同一指数函数形式。利用拟合的误码系数对诱惑态下BB84量子密钥分配方案的平均光子数进行了优化,根据优化结果,利用GYS的实验参数分析了Lo等人提出的诱惑态量子密钥效率表达式,结果表明,误码系数修正后的表达式具有更高的密钥生成效率空间。     

量子密钥分发网方案的改进设计

量子密码术要走向实用化,必须实现多用户间的量子密钥分配.首先介绍了基于EPR对的E91量子密钥分发方案.利用该协议,我们在现有量子密钥分发网方案的基础上提出了一种实现多用户网络下任意多个用户之间的密钥分发方案,并融合波分复用技术对级联式环型量子密钥分发网方案进行了改进.     

“轨道角动量:从经典光学到量子信息”专辑前言北大核心CSCD

光子既是经典信息也是量子信息的理想载体。单个光子不仅可以携带自旋角动量,还可以携带轨道角动量。自旋角动量的研究历史比较悠久,早在1909年, Poynting就将宏观上光波的圆偏振态和微观上单个光子的自旋角动量联系起来。但直到1992年,荷兰Leidon大学的Allen等才在理论上确认光子也可以携带另外一种形式的角动量――轨道角动量,它来源于光波的螺旋相位。     

综述:基于轨道角动量光子态的高维量子密钥分发北大核心CSCD

信息安全是国家核心竞争力的重要组成部分,量子密钥分发(QKD)利用量子力学基本原理对信息实现计算复杂度无关的安全加密,是下一代信息安全技术的重要选项。经过三十多年的发展,以结合诱骗态的BB84协议为代表的QKD方案已经非常成熟,并逐渐开始了规模化部署。持续探索基础方案和核心技术是推动QKD发展的基础动力。在单回合通信中,基于高维量子态编码的高维QKD(HD-QKD)技术具有更高的信息承载效率和更强的抗噪声能力,因而具有重要的发展和应用潜力,已成为当前QKD领域的重要研究方向之一。光子的轨道角动量(OAM)自由度原则上具有无穷维希尔伯特空间,是实现HD-QKD的重要物理资源。重点回顾了基于OAM光子态的HD-QKD的发展历程,梳理并讨论了该研究方向的主要技术成果和面临的关键技术问题,并展望其未来发展趋势。     

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.     

基于PON网络的安全量子VPN方案

该文提出了一个新的无源光网络PON组成模型。利用该模型设计了一个具有身份认证功能的高效量子密钥分配方案,以满足无源光网络中光线路终端对光网络单元的身份认证和两者间的相互量子密钥分配,以及实现光虚拟专用网内部光网络单元间的量子密钥分配。安全性分析和实验方案表明了该协议的绝对安全性和可行性。将共享密钥作为通信双方的会话密钥,对内部传输数据进行加密,最终实现量子虚拟专用网。     

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。     

基于W态的网络中任意两个用户间量子密钥分配方案

针对实现网络中任意两个用户间密钥分配的问题,该文将W态变换为系数全部相同的对称形式,提出一种利用W态实现网络量子密钥分配的方案,即可信赖中心(CA)与网络中要求通信的任意两个用户分别拥有W态的3个粒子,CA对手中的粒子进行测量并公开测量结果,两个用户按照CA的不同测量结果采取相应的措施以生成密钥。继而,分别对存在窃听者(Eve)的情况以及CA不可信的情况进行安全性分析。结果表明,该方案能够有效抵御攻击,且可以实现平均消耗3个W态得到两比特密钥的理论效率。