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。     

量子保密通信应用服务体系研究

基于量子密钥分发（quantum key distribution,QKD）的量子保密通信能够应对量子计算带来的安全挑战,现已进入产业规模应用阶段。然而,受QKD网络架构及服务能力的制约,现有体制无法满足未来量子保密通信在业务多样化、用户规模化、应用泛在化等方面的发展需求。针对此问题,提出量子保密通信应用服务体系架构模型及机制,实现量子密钥的统一管理并支持各类用户设备及业务应用以各种方式灵活、安全地获取量子密钥。该系统通过引入量子安全服务层将QKD网络与上层应用解耦,有效协调了QKD网络发展与保密通信业务发展两个方面,有利于促进量子保密通信大规模应用落地。     

量子通信的安全性分析

目前量子密钥分发（QKD）已成为量子通信应用研究的一个主要方向,越来越多的研究证明,一些QKD协议具有完全保密性,但是能由此得到量子密码系统甚至量子通信是完全保密的结论吗？量子通信保密还需要量子加解密技术吗？论文重点对量子通信安全性和量子通信保密的解决方案进行了详细分析和探讨。     

量子保密通信测评与标准化发展分析

基于量子密钥分发（QKD）的量子保密通信（QSC）是未来提升信息安全保障能力的有效解决方案之一。随着量子保密通信实验网络建设和试点应用的发展,相关测试评估和标准化的需求日益明显。在介绍量子保密通信技术原理和系统架构的基础上,探讨量子保密通信系统的测试评估方法和标准化研究最新进展,进一步分析了量子保密通信测评与标准化目前存在的典型问题,最后对其未来发展前景进行了展望。     

基于不同光纤的波分复用型量子密钥分配研究

基于波分复用技术可以实现量子与经典信号在同一根光纤中共传。由于经典信号与光纤的非线性相互作用引起的噪声会降低量子密钥分配QKD的信噪比,需要采取措施降低经典噪声的影响。与以往对QKD设备侧的改造不同,从光纤传输线路的角度出发,通过对比不同种类光纤的性质,建立波分复用单纤传输量子密钥分配噪声模型,结合诱骗态和有限长安全分析方法,分析了不同种类光纤对共纤QKD背景噪声计数率、安全密钥率和最大安全传输距离等性能的影响。对G.652、G.654和G.655三种光纤的数值仿真结果表明, G.655光纤可以降低共纤QKD的背景噪声计数率, G.654光纤可以增大共纤QKD的安全密钥率和最大安全传输距离,而常用的标准单模光纤G.652对于共纤QKD性能的影响居于三者之间。     

量子保密通信的理想与现实

目前,国内外都在进行量子保密通信技术特别是量子密钥协商(Quantum Key Distribution,QKD)技术的应用研究,并取得了许多重要成果。QKD具有理想的物理安全性,但实际上QKD系统很难达到理想的状态。QKD系统的实际安全性如何测评,自由空间QKD网络是否能够解决信息战环境下的保密通信问题,QKD能否完全解决量子计算环境下的信息安全问题等,对这些与实际应用密切相关的问题进行深入探讨具有十分重要的实际意义。     

飞行中继平台的MDI-QKD应用性能

量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）技术的应用领域不断拓宽,其良好的安全保密性能可以有效应对通信安全威胁,在航空通信领域,基于航空飞行平台应用量子密钥分发技术有望大幅提升航空通信系统安全性级别,为局部地区保密通信提供可靠保障,进一步提高区域安全通信保障能力。针对非对称传输效率测量设备无关量子密钥分发（Measurement Device Independent QKD, MDI-QKD）协议在机载条件下的应用问题,在以飞行平台作为测量节点的测量设备无关量子密钥分发技术应用场景下,应用诱骗态协议建立了仿真分析模型,分析了气象条件、飞行高度对系统仿真性能的影响。仿真实验结果表明,在15 km能见度的晴朗天气下,在无人机常用高度飞行的空中移动平台应用诱骗态测量设备无关量子密钥分发协议可以提供作战通信保障,在较远距离通信中存在通信盲区和飞行平台运动限制。同时证明了优化选择信号光源光脉冲强度方案可以有效提高通信能力。实验及分析为量子密钥分发技术在飞行平台上的后续研究和实际应用提供了理论分析基础和优化方法。     

新媒体/IT

<正>量子保密通信三项行业标准正式实施近日,工信部发布的《量子保密通信网络架构》《量子密钥分发（QKD）网络网络管理技术要求第1部分：网络管理系统（NMS）功能》《基于IPSec协议的量子保密通信应用设备技术规范》等三项量子保密通信相关的通信行业标准落地实施。三项标准从设计、部署、管理等方面进一步规范了量子保密通信网络的建设,并对量子保密通信产品设计和安全测评提供权威指导,推动有关设备产品的安全应用。     

审视量子保密通信

量子保密通信基于量子测不准和量子不可克隆等量子力学原理,理论上具有可完备证明的物理安全性和在线检测窃听性能,但是它能否解决数据通信的完全保密问题？量子保密通信在短中期内是否具有应用可行性？实际上,在中短期内,量子密钥协商（QKD）和量子纠缠通信都不能提供无条件安全性,在通信性能方面（通信距离、速率和抗干扰等）也不具有任何优势。对量子保密通信进行客观评估,对与其密切相关的一些问题进行探讨和分析并形成明确的结论具有十分重要的现实意义。     

量子保密通信网络架构及移动化应用方案

作为新一次量子革命中率先实用化的代表性技术,量子密钥分发（quantum key distribution,QKD）为信息安全领域带来了有望实现长期安全性保障的可行方案,近年来从协议设计、技术研发、网络部署到实际应用都取得了长足的进步。首先探讨了将点对点QKD技术扩展到多用户量子保密通信网络的架构设计;进一步,结合经典密码学方案,提出将QKD生成的量子密钥在移动终端侧应用的增强解决方案,使得QKD技术可应用于更广泛的移动化场景。     

A short wavelength GigaHertz clocked fiber-optic quantum key distribution system

A quantum key distribution (QKD) system has been developed, using a standard telecommunications optical fiber, which is capable of operating at clock rates of greater than 1 GHz. The QKD system implements a polarization encoded version of the B92 protocol. The system employs vertical-cavity surface-emitting lasers with emission wavelengths of 850 nm as weak coherent light sources, and silicon single photon avalanche diodes as the single photon detectors. A distributed feedback laser of emission wavelength 1.3 /spl mu/m, and a linear gain germanium avalanche photodiode was used to optically synchronize individual photons over the standard telecommunications fiber. The QKD system exhibited a quantum bit error rate (QBER) of 1.4%, and an estimated net bit rate (NBR) greater than 100 000 bits/sup -1/ for a 4.2-km transmission range. For a 10-km fiber range, a QBER of 2.1%, and an estimated NBR of greater than 7000 bits/sup -1/ was achieved.     

可光纤集成的相干态量子身份认证系统

报道了可光纤集成相干态量子身份认证实验系统。该系统采用偏振相干态的斯托克斯矢量作为量子信号载体,采用动态偏振控制器作为信号调制器,利用固有的相干态量子噪声保证系统的安全性。自行设计了脉冲激光驱动电路、微弱窄脉冲激光探测电路、信号同步模块,采用Socket网络通信程序在TCP/IP局域网中实现了量子保密通信所需要的经典通信。该相干态量子身份认证系统采用的运行密钥为12位,每个光脉冲包含40000个光子,传输速率达到8kbit/s,合法用户间误码率(BER)小于10-4。每传输一个比特信息,攻击者所能窃取的信息量I(Alice,Eve)<10-14bit。     

通用量子密钥分发的同步控制电路

通过仔细分析连续变量和离散变量量子密钥分发系统的光路原理和各个光学部件性能和要求,提出了一种能用于各种量子密钥分发实验中的电路控制模块。该方案能够产生精度可达纳秒量级的时钟信号,采用Xilinx公司的Virtex-4型FPGA开发板,实现整个系统高度集成,最后利用嵌入式开发工具ISE9．1i和EDK9．1i完成了方案的实现,并生成bit文件下载进FPGA,经验证完全满足实验要求。     

Quantum key distribution by a free-space MIMO system

Quantum key distribution (QKD) systems for use in future free-space optical communication links restrict communication to a low bit rate. In this paper, increasing the QKD bit rate using a communication system that includes a multiple-input-multiple-output quantum key distribution (MQKD) is proposed. Such a system can enable a number of receivers to communicate simultaneously with a number of transmitter elements, which consequently increases the overall QKD bit rate. However, due to scattering and turbulence in the atmospheric channel, this method may introduce interference effects when a photon transmitted from one transmitter element reaches the wrong detector element in the receiver. These interference effects reduce the system bit rate and increase the quantum bit error rate. A novel mathematical model for analyzing the effect of crosstalk and interference on the MQKD system performance is derived. The results of the analysis indicate that atmospheric effects impair performance. In order to mitigate the atmospheric effect, using several wavelengths simultaneously is suggested. Criteria to define the number of wavelengths that are required to achieve a given performance are also provided.     

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.     

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.

     

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.     

基于大气折射效应的星地背景光误码率分析

研究了大气折射效应对星地量子密钥分发(QKD)系统的背景光误码率的影响,研究过程中考虑了白天晴天、满月夜晚和无月夜晚三种不同的背景光条件。建立了分层结构的星地QKD信道传输模型,模拟大气折射效应对信号传输距离的影响;基于此模型仿真分析了考虑和忽略大气折射效应时只考虑背景光的误码率随天顶角的变化趋势。结果表明:忽略大气折射效应将对背景光误码率产生较大的影响,此外在无月夜晚背景光条件下可以获得相对最低的误码率。     

A simple control system of quantum key distribution with high visibility

A relatively simple plug-and-play control system of quantum key distribution(QKD) based on PCI7300 card is demonstrated,including mechanism design,key generation and key acquisition.The system works very well at the repetition frequency of 1 MHz,and the key generation rate is 100 k/s.A visibility of better than 95% over 50 km-long fiber at 1.31 μm is obtained,which is stable under ordinary lab conditions for 24 h without any feedback control or adjustment.The presented system is a quite promising candidate to realize the QKD in the future.