电力架空光缆量子密钥分配同步技术研究

在深入分析量子密钥分配(QKD)系统的同步需求和电力架空光缆中信号延时变化因素之后,对电力架空光缆中同缆不同芯同步技术和同缆同芯同步两种同步技术展开研究。最后结合实际要求提出了具体设计方法,以满足电力环境下的QKD系统实际运行需求。     

相位编码量子密钥分发系统的电子学设计

相位编码是目前基于光纤传输的量子密钥分发(QKD)系统采用最多的方式,对控制电子学的设计提出了诸多挑战.本文在介绍相位编码QKD系统控制电子学整体设计基础上,重点分析相位编码QKD系统在同步机制、自动相位扫描补偿等方面的特殊要求和设计实现.本文设计的控制电子学和必要光学器件组成的QKD系统可以作为量子密钥分发网络中独立...     

量子密钥分配系统应用技术初探

在描述了基本的点到点量子通信系统的工作机制,QKD原语分类和网络整合QKD技术特性的基础上,导出了多种QKD的使用情况.这些技术特性允许确认实现QKD的功能及安全要求,并试图在现存和未来的ICT网络中使用.     

参数自动配置的量子密钥分配系统设计与实现

文章基于法拉第——迈克尔逊干涉仪的相位编码量子密钥分配(QKD)系统,设计并实现了该系统的参数自动化配置。该系统中的三个参数:同步光输出光强、单光子探测器的门触发时间窗口和相位调制器的调相电压需要根据公共信道的衰减和距离进行配置。通过同步光光强扫描、单光子探测器延时扫描和相位调制器调相电压扫描来实现上述三个参数的自动配置。整个自动化配置过程可以在 1min 内完成,实现了 QKD 系统的快速配置。     

基于USB的量子密钥分发系统中高速数据通道的设计

提出了一种量子密钥分发(QKD,quantum key distribution)系统中高速数据通道的设计方案—基于通用串行总线(USB,universal serial bus)的数据通道。通过对QKD系统中经典信道数据带宽的分析,设计了USB数据通道方案,并通过USB的速度的测试给出合适的USB参数。实验表明,此数据通道可以适应光子发射频率为20 MHz的QKD系统,且在带宽方面有很大的余量,可以适应后续QKD系统速度提升的需求。     

基于最小二乘法的相位编码QKD中的主动相位补偿

为解决相位编码的量子通讯系统中量子密钥相位漂移问题,以降低量子密钥分发(QKD),系统的误码率,克服已有算法存在的计算量大、测量精度低和复杂度高等问题,提出了基于最小二乘的主动相位补偿算法,可在单光子情况下通过扫描少量相位点,应用最小二乘法,即可获得较高精度的相位补偿。实验仿真表明,本文算法可以在较短的时间内得到相位漂移参数并进行实时主动补偿,提高了QKD系统的运行效率和性能。     

量子密钥分发系统中高精度同步方案设计

针对光纤量子密钥分发(QKD)系统中信号同步的关键问题,提出了一种光同步方案。发送方通过现场可编程门阵列（FPGA）产生一定特征的同步脉冲序列驱动同步激光器,产生的同步光和信号光耦合到一根光纤传给接收方。接收方经过高速甄别后使用高频时钟来“采样”接收到的同步脉冲序列,使得双方达到严格同步;同时经过高精度延时调整后提供给单光子探测器作为门控信号,最大限度地去除暗计数。该方案具有高精度,低成本,容错性好的特点,已经成功应用于城域量子通信网络。     

基于FPGA的自适应解调器设计

IRIG-B(AC)码广泛应用于航天测控系统的远距离时间同步,由于在传输过程中信号易受干扰且存在路径传输时延,因此采用IRIG-B(AC)码实现时间同步其精度往往较差。为满足远距离高精度时间同步要求,针对IRIG-B(AC)码同步误差较大问题,提出一种基于FPGA的数字化解调方法。该方法采用全数字化软件设计,具备相位自动判别功能,针对不同调制比和不同输入幅值的IRIG-B(AC)码,能够实现快速自适应解调译码。测试结果表明,该方法抗干扰能力强,工作稳定可靠,使IRIG-B(AC)码的时间同步精度得到极大提升,甚至优于1μs。     

量子通信技术研究及其应用分析北大核心

为寻找当前量子技术在实际系统中应用的切入点,文章研究并分析了当前量子通信的主要技术,特别对QKD(量子密钥分配)相关协议发展过程及成熟度进行了理论分析。考虑到现有量子器件技术的制约,总结出基于诱骗态的BB84协议是当前最成熟的QKD协议,量子安全直接通信、量子离物传态等技术是量子通信发展的方向。     

QKD系统中DFB激光器的可调偏置驱动

基于分布反馈式(DFB)半导体激光器的特性,为满足量子密钥分发(QKD)系统研究中对光源的多种需求,设计了一种1550 nm波长的DFB激光器的精密可调偏置驱动方案。该方案以FPGA为控制核心,用上位机软件控制输入,可给DFB激光器提供0~50 mA的精密偏置直流,从而完成光源不同发光模式间的切换,QKD系统中的多种光源需求得以满足。     

量子密钥分发和经典光通信波分复用共纤传输研究

研究了量子密钥分发和经典光通信波分复用共纤传输的技术难点和可行性。基于系统重复频率 40 MHz的诱骗态相位编码BB84协议量子密钥分发设备,提出了3种量子信号与经典光信号的波分复用共纤传输方案：单纤双向CWDM共纤传输方案,复用1 550.12 nm波长量子信号、1 310 nm波长时钟信号以及正向1 590 nm波长100 Mbit/s速率光信号和反向1 610 nm波长100 Mbit/s速率光信号,光纤传输距离70 km下密钥成码率达到1.2 kbit/s;双纤双向CWDM共纤传输方案,复用1 550.12 nm波长量子信号、1 610 nm波长时钟信号以及1个波长的同向光信号在1 310 nm波长OOK光信号速率10 Gbit/s,光纤传输距离55 km下,密钥成码率达到1.58 kbit/s;双纤双向DWDM共纤传输方案,复用1 550.12 nm波长量子信号、1 610 nm波长时钟信号以及2个同向波长各自为1 551.72 nm和1 552.52 nm,并模拟100 Gbit/s相干光通信DP-QPSK信号接收功率,光纤传输距离70 km下,密钥成码率达到1.16 kbit/s。     

开放型量子保密通信系统架构及共纤传输技术研究与实验

量子保密通信因其具有理论上的无条件安全性,在国防、金融、政务、商业等领域的应用潜力巨大,同时也对通信网络提出了一定的要求。在研究量子保密通信的基础上,提出了开放型量子保密通信的系统架构;同时为了更好地与现有通信系统融合,提出了一种量子密钥分发（QKD）系统与大容量光通信系统共纤传输方案,并通过实验验证了QKD系统和80×100 Gbit/s DWDM系统共纤传输的可行性,在超过100 km共纤（G.654超低损光纤）传输条件下同时实现了QKD成码率超1 kbit/s和8 Tbit/s DWDM系统无误码传输。     

自由空间量子密钥分发控制系统的FPGA设计

在量子保密通信蓬勃发展的今天,基于自由空间的量子密钥分发是一个重要的研究方向。它将在未来全球量子通信网络中扮演重要的角色。介绍了自由空间量子密钥分发控制系统中的电子学设计,选用Xilinx公司的VirtexII-Pro系列芯片,使用内部的PowerPC405嵌入式硬核加上功能逻辑模块实现最终量子密钥的提取和外围电路的控制,提高了全系统的集成度和可靠性。该设计成功应用于白天1公里量子密钥分发实验,成码率大于1.5Kbps。     

量子密钥分发系统的现实无条件安全性

量子密钥分发系统由于能够提供一种物理上安全的密钥分发方式,因此成为量子信息领域的研究热点,其中如何在现实条件下保证量子密钥分发的无条件安全性是该领域的一个重要研究课题。本文从经典保密通信系统中具有完善保密性的一次一密体制出发,介绍了量子密钥分发系统的应用模型和整体保密通信系统的安全性基础,以及自量子密钥分发协议被提出以来量子密钥传输现实无条件安全性的研究进展,重点介绍了针对现实条件安全漏洞的各种类型的量子黑客攻击方案、防御方式,以及最近两年被广泛重视的与测量设备无关的量子密钥分发系统的理论和实验进展。     

Single-Photon Interference Experiment Over 80 km With a Pulse-Driven Heralded Single-Photon Source

We have conducted a single-photon interference experiment over an 80-km optical fiber using a pulse-driven heralded single-photon source (HSPS). To the best of our knowledge, this is, thus far, the longest distance over which a single-photon interference experiment has been conducted using HSPSs (continuous-wave-pumped or pulse-driven). The effect of the 80-km transmission on the dispersion and fluctuation of polarization are more severe than those in our previous 40-km quantum key distribution (QKD) experiment. We have overcome the difficulties by some fine tunings and low-jitter controlling. By conducting ten consecutive transmission experiments over a total time of 30 min, an average quantum bit-error rate (QBER) of 7.9 plusmn 1.2% has been obtained. This QBER is lower than the threshold QBER of 10.55% which is considered as a limit for unconditional security for the QKD under negligible multiphoton emission.     

Reliability improvement of satellite-based quantum key distribution systems using retransmission scheme

This paper theoretically studies the design and performance analysis of the reliable satellite-based quantum key distribution (QKD) over free-space optics channel. The proposed QKD system is based on the optical quadrature phase-shift keying (QPSK) modulation and the dual-threshold/heterodyne detection (DT/HD) receiver that helps to reduce quantum bit error rate (QBER) and improve the receiver sensitivity. In addition, a key retransmission scheme is also designed to enhance the reliability of the proposed QKD system. Performance of the key transmission is analyzed in terms of QBER and the probability of sifted key, taking into account the impacts of free-space path loss, atmospheric attenuation, beam spreading loss, atmospheric turbulence, and receiver noise. In addition, we newly develop an analytical framework by using the 3-D Markov chain model that allows us to investigate the key loss rate (KLR) performance at the link layer. Numerical results quantitatively show that our proposed satellite-based QKD system can offer significant performance improvement over the conventional ones.

     

Experimental Demonstration of a Detection-Time-Bin-Shift Polarization Encoding Quantum Key Distribution System

Detection-time-bin-shift (DTBS) is a scheme that uses time division multiplexing of a single photon detector between two photon bases in a quantum key distribution (QKD) system. This scheme can simplify the structure of a QKD system, reduce its cost and overcome the security problems caused by the dead-time induced self-correlation and the unbalanced characteristics of detectors. In this paper, we introduce an improved DTBS scheme and implement it based on our previously developed conventional fiber-based QKD system using the B92 protocol. Our DTBS QKD system generates sifted keys at a rate of more than 1 Mbit/s with a quantum bit error rate (QBER) lower than 2% over 1.1 km of fiber.     

An autocompensating fiber-optic quantum cryptography system basedon polarization splitting of light

We have developed a system for quantum key distribution (QKD), based on standard telecommunication lasers, detectors, and optical fiber, that passively compensates for time-dependent variations of the fiber-optic path due to stress, temperature changes, or birefringence. This approach allows information encoded in phase shifts imposed on single-photon-level pulses to be accurately read out after transmission over many kilometers of uncontrolled fiber. Cooled InGaAs avalanche photodiodes, pulse-biased using a special noise canceling circuit, are used to detect single 1.31-μm infrared photons with a high efficiency, low dark-count rate, and subnanosecond time resolution. A single optical fiber carries both the quantum information and precise 1.55 μm timing pulses between the two end stations. Overall synchronization of end-station activities, public discussion of basis choices, error correction, and privacy amplification have all been implemented over a local area network (LAN). The system at present generates raw, error-corrected, and privacy-amplified key data at rates of ~1000, 600, and 200 bits/s, respectively, over a 10-km single-mode fiber link     

点到多点量子密钥分配扩展研究

对两种点到多点量子密钥分配系统的密钥生成效率和传输距离进行了分析,讨论了系统的参数选取对它们的影响.分析了诱惑态技术对这两种多用户系统的传输距离及密钥生成效率的影响,数据表明,结合诱惑态技术,可以将密钥传输距离扩展为原来的2倍,以及将量子密钥分发效率提高1个数量级.对点到多点系统进行了功能扩展研究,提出了可实现任意两用户间密钥共享的协议.该协议无需其它的硬件要求,易于实现.