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...     

量子密钥分发系统中的相位调制器特性分析

在量子密钥分发系统(QKD)中,LiNbO3波导相位调制器是构成单光子干涉仪的关键器件。文章阐述了LiNbO3相位调制器的相位调制特性、偏振特性及其对量子密钥分发系统的影响,介绍了退火质子交换工艺制备的线性单偏振LiNbO3相位调制器与采用钛内扩散工艺制备的低偏振相关损耗(PDL)LiNbO3相位调制器的性能指标。     

一种偏振检测QKD系统相位调制器驱动电路设计

回顾了相位编码方式实现协议的量子密钥分发实验研究的演进历程和最新进展,选取基于Michel son干涉仪的相位编码、偏振检测单向QKD系统为实验平台,提出一种以单片机和FPGA为核心的相位调制器驱动电路设计方法,并给出了相应实验结果,达到了预期的实验目的.     

基于朴素贝叶斯分类的相位编码连续变量量子密钥分发方案

针对相位编码连续变量量子密钥分发(continous variable quantum key distribution,CVQKD) 在远距离传输时,量子态在接收端的检测效率较低的问题,本文提出在接收端使用朴素贝叶斯(native Bayes,NB)分类器来改进系统性能。NB分类器首先对已标记类别的量子态进行训练,学习不同类别量子态的分布情况,计算每个类别的先验概率和似然概率,再基于先验概率和似然概率计算出待测量子态属于每个类别的后验概率,根据后验概率的大小来确定待测量子态的类别。仿真结果表 明,改进方案可以通过降低测试态在接收端被错误测量的概率来提升系统性能,当过量噪声为0.01时,改进方案的安全距离可以突破250 km。     

单光子双比特量子密钥分发量子误码分析

对基于偏振-相位混合调制的单光子双比特方案进行了分析和改进。建立了偏振态输入输出模型,从理论分析了光纤Mach-Zehnder(M-Z)干涉环对偏振态的影响,仿真分析了偏振基矢与快慢轴对准误差以及快慢轴相位差引入的偏振编码量子误码率(BER),进而推导出了偏振-相位混合调制的光子偏振态保持条件。偏振编码的量子误码率受到M-Z干涉仪的影响非常大。理论分析表明,偏振态的抖动不仅来源于光纤的折射率,还受到偏振态未对准光纤快慢轴的影响。给出了一些重要的偏振态保持条件。仿真表明当ρ和θ小于0.2rad,偏振态量子误码率小于0.015,当ρ和θ小于0.4rad时,偏振态量子误码率小于0.06。这对于单光子双比特的量子密钥系统的误码率(<11%)要求来说,2%～5%的误码率是能够接受的。     

四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议

量子密钥分发(QKD)具有信息论上的无条件安全性,而相位匹配量子密钥分发(PM-QKD)是双场量子密钥分发协议(TF-QKD)的一个变体,其最近被提出用来克服没有量子中继器的点对点协议中存在的速率-距离限制。鉴于实践中不存在无限强度的诱骗态,提出了一种具有实用价值的四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议,即四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议。给出了该协议的安全密钥速率公式,并通过数值仿真分析了该协议的性能,证明了该协议的有效性。     

量子密钥分发中偏振补偿算法

在以单模光纤作为量子信道,并采用光子偏振编码方式的量子密钥分发过程中,光纤的双折射效应会导致光子在光纤中传播时其偏振态发生随机变化,使安全密钥的最终成码率大幅度降低.利用两个四分之一波片和一个半波片的组合作为校正器,可以实现对任意偏振态的校正补偿.建立了一种以该类偏振校正器为执行机构的基于随机并行梯度下降控制算法的实时偏振补偿仿真控制模型,讨论了算法的随机扰动幅度、增益系数与收敛速度的关系,分析了算法对于偏振的校准能力.通过实验对算法的性能进行了验证.实验结果表明,经过一定次数的迭代后可将系统的偏振消光比校正到一个比较理想的状态.     

星地量子密钥分发中密钥纠错的编码模块

在星地量子密钥分发中,两个合法用户Alice和Bob通过星地链路窗口完成密钥分发.密钥分发后Alice和Bob拥有不一致的密钥序列X、Y,双方通过理想公共授权信道传送部分信息序列,得到一致的密钥序列,这一过程称为数据协调中的密钥纠错.在密钥纠错中,理想公共授权信道传输的信息序列是X经编码产生的校验序列,要求密钥序列的编码模块所占FPGA资源少,编码速度快.提出了一种基于FPGA和Turbo码的编码方案,其占用FPGA资源少,编码速度快,可根据需要选择编码码率.     

单光子偏振态实现量子密钥分配的方案

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.     

一种新的多用户量子密钥分发方案

提出了一种基于偏振态相位编码的多用户量子密钥分发方案。以偏振编码作为地址码以区分用户,以相位编码携带信息,具有同时调制偏振态的相位和偏振角度的特点。建立了多用户量子信道模型,通过仿真获得其安全通信距离。结果表明,本文方案不但能够有效区分多用户通信中各用户信息,而且比基于偏振编码或相位编码的量子密钥分发方案更加安全。     

量子密钥分发网络应用技术研究进展

现有的量子密钥分发网络根据其节点不同可分为三类,即由信任节点构成的网络系统、由光学节点构成的网络系统、以及由量子节点构成的网络系统.讨论了由不同节点构成的网络系统的特点,并分别指出了各自的优缺点.最后指出,一个跨越全球的量子密钥分发网络需要由这三种不同的网络系统组成.     

量子密钥分发系统的实际安全性

量子密钥分发利用量子力学原理实现通信双方之间无条件安全的密钥传输而不被未经许可的第三方所窃听。目前,单光子QKD协议,纠缠光子对QKD协议,连续变量QKD协议等在理想的光源、信道、探测模型假设下已经被证明具有无条件安全性。然而,实际QKD系统所采用的非理想实际物理器件往往不完全符合理论安全性分析中的模型假设,这将导致比较严重的安全漏洞,从而降低实际QKD系统的安全性。为了抵御实际QKD系统非理想器件所引入的安全漏洞,可以从软件上改进QKD理论安全性分析(将实际QKD系统非理想特性纳入到安全性分析理论中),或从硬件上改进实际QKD系统(增加监控模块以抵御实际QKD系统安全漏洞)。对实际QKD系统光源、信道及探测端的安全漏洞进行了全面总结并给出针对各个安全隐患的抵御措施。     

量子密钥分配系统中非线性偏振耦合的研究

受传输光纤非线性偏振影响,量子密钥分配系统本振光与信号光耦合率下降,使形成偏振复用信号的抖动增强,系统的稳定性和安全性下降.为了提高量子光学中偏振编码技术的性能,经过理论分析和数值模拟,给出可操作性的实验方案,解决了光纤非线性偏振耦合导致的偏振抖动问题.结果表明,在同等条件下,以分光检测结果反馈控制本振光和信号光的非线性偏振耦合率,可增强偏振复用信号的稳定性,将系统传输容量提高61%.该结果有利于偏振编码技术在量子密钥分配系统的实际应用.     

光纤量子密钥分发系统的几种偏振补偿技术

偏振补偿是偏振编码量子密钥分发(QKD)系统的一项关键技术。介绍了利用偏振控制器和双向光路进行偏振补偿的基本原理,简述了偏振编码的QKD系统中常用的光纤信道偏振补偿方案,包括双向光路偏振补偿方案,中断式偏振补偿方案,时分复用(TDM)偏振补偿方案和波分复用(WDM)偏振补偿方案。     

量子密钥分发网络结构及性能分析

根据量子密钥分发网络节点功能的不同,可以将其分为三类:由信任方节点构成的网络;由光学器件构成的网络和;由量子节点构成的网络.文章分析了这三种网络的结构,并对比了它们的性能,适用条件以及应用前景.最后提出,在现有条件下三种网络各具优势但都不够成熟,用户可以根据各自对网络的需求来选择不同的网络模型进行保密通信.     

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。