量子密钥分发系统中若干非对称问题的实验研究
发布时间：2022-02-10 01:42
在21世纪的今天,信息安全的重要性是毋庸置疑的,然而当前广泛使用的经典密码学,其安全性正面临着巨大的威胁。与安全性基于计算复杂度高的数论难题的经典密码学不同,量子密钥分发（Quantum key distribution,QKD）能够提供理论上无条件安全的密钥传输,其安全性由量子力学的基本原理保证,任何窃听行为都将因引入可观测的错误而暴露。自从QKD的第一个协议BB84协议在1984年IEEE计算机科学技术大会上被提出以来,此后三十余年,QKD备受关注,无论是在理论上还是实验上都得到了充足的发展机会。但现实与理论仍然存在巨大的鸿沟需要跨越。QKD实际系统由于各方面的不完美而不断制约其实用化进程。本论文围绕量子密钥分发实用化这一主题,介绍了作者在博士期间的研究成果,主要包括实验参数非对称问题下的QKD方案及双场量子密钥分发协议（TF-QKD）的实验研究。具体的,本文介绍了利用清华大学王向斌理论小组2016年提出的联合考虑不同基矢制备测量结果的四强度诱骗态方案,设计并实现的第一个基矢探测效率非对称情况下的高效BB84实验,该实验不仅实现了基矢探测效率非对称情况下成码率性能的大幅度提升,还剔...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１?ＧＬＬＰ?ｗｉｔｈｏｕｔ?ｄｅｃｏｙ方案与ＧＬＬＰ?＋?Ａｓｙｍｔｏｔｉｃ?ｄｅｃｏｙ方案在成码率及成码距离上??的比较丨１３】??
。可以想见，当光脉冲宽度比探测器的有效门??宽大时，将会额外的引入损耗从而降低最终安全成码率。结合多种因素，我们在??这里选择１０?ＧＨｚ的布拉格光栅，并配合适量的色散补偿光纤来抑制光脉冲在长??光纤中的色散效应。??ｗｒ．．?．?ＩｎｆＳａＡｓ?ＳＰＤ?ＰＤ??ｍ?－＝ｇ?＾??：爾〇卜｜寧??Ｉ?二■?？?＼?ｅｖｏａ?｜ｂｓ?趨??ｔ?▼??严ｗ?ｙ?ＦＢＧ?＿??Ａｌｉｃｅ?Ｂｏｂ??Ｌｏｎｇ?Ｄｉｓｔａｎｃｅ??Ｏｐｔｉｃａｌ?Ｆｉｂｅｒ??图２．２实验装置图ｌ１？ｌ？其中ＤＦＢ?Ｌａｓｅｒ：分布反馈激光器，Ａｔｔ：手动衰减器，ＢＳ：分束器，??ＰＢＳ：偏振分束器，ＥＶＯＡ：电可调光衰减器，ＣＩＲ：环形器，ＦＢＧ：布拉格光栅，ＤＷＤＭ：??密集波分多路复用器，ＳＯＡ：半导体光放大器，ＥＰＣ：电偏振控制器，ＰＤ：光电二极管??探测器，ＳＰＤ：单光子探测器。所有器件均为光纤器件。??此外，我们还需要将相隔很远的Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ两套系统同步起来，这里我??们采用的是同步光的同步方式。我们选用波长为１５７０?ｎｍ的同步光激光器，产??生１００?ｋＨｚ的同步光脉冲。为了节省光纤资源，我们选择波分复用的方式，利用??１００?ＧＨｚ的密集波分复用器（ＤＷＤＭ）将同步光脉冲与信号光脉冲合束至同一??单模光纤中传输给Ｂｏｂ。在Ｂｏｂ端再利用中心波长相同的ＤＷＤＭ将同步光脉冲??与信号光脉冲分离开。??而当传输距离大于１００?ｋｍ时，我们需要利用一个半导体光纤放大器（ＳＯＡ）??对同步光进行放大后再使用光电二极管（ＰＤ）进行识别探测。在实验中，我们??发现，同步光脉冲进入ＳＯＡ后会有少量光脉冲被反
?第２章标准量子密钥分发协议实验研究???意，若；＝?，该方案将与方案一完全相同。??方案三基矢探测效率非对称条件下的新型四强度方案［１６］，即??得益于较高的系统频率，计算一次安全成码率需要发送ｉＶ个脉冲，而这仅??仅需要大约１６秒的时间。每一个距离、每一个方案我们重复进行３０次实验并计??算成码率的平均值和方差，作为最终的结果，如图２．３。??表２．３理论优化及实验的参数。??■ｓ〇?Ａｒ?ｔｄ?ｅｄ?ａ?ｆ?ｅ?Ｎ??２．５０Ｘ１０－７?ｌ?％?５．００?ｘ?１０－７?１．５％?０．２?１．１４?１０－１０?１０１０??其中ｓｎ、Ａｒ与Ｇ分别为探测器暗计数率、后脉冲率、死时间（ｓ），?￣为光失调误??差率，ａ表示量子信道传输损耗系数（ｄＢ／ｋｍ），／为纠错效率，ｅ为安全系数，Ｗ??为总发送脉冲数。??我们的实验主要分为两个部分，具体实验细节及测量数据可参考文献［１７］：??（１）我们将探测效率分别设为＝?１０％，ｋ?＝?５％，即＝?２。光纤传输距??离分别为８７、１２６、１４１、１５０?ｋｍ。从实验结果看，新型四强度方案成码率较两种??三强度方案有较大的提升。例如在８７?ｋｍ实验中，四强度方案成码率为３９?ｋｂｐｓ，??是方案一成码率的３．０倍，是方案二成码率的４．８倍。且四强度方案的最远传输??距离为１５０?ｋｍ，是其余两种方案均无法实现的。??（２）我们进一步提高效率失配程度至＝?１０，即＝?１０％，化＝１％。光??纤传输距离分别为６２、８７、１０７、１２６?ｋｍ。四强度方案的优势则更为明显。比如??在光纤传输８７?ｋｍ条件下，四强度方案的成码率为２０?ｋｂｐｓ，较三强度的两种方??案分别提高３
本文编号：3618018
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１?ＧＬＬＰ?ｗｉｔｈｏｕｔ?ｄｅｃｏｙ方案与ＧＬＬＰ?＋?Ａｓｙｍｔｏｔｉｃ?ｄｅｃｏｙ方案在成码率及成码距离上??的比较丨１３】??
。可以想见，当光脉冲宽度比探测器的有效门??宽大时，将会额外的引入损耗从而降低最终安全成码率。结合多种因素，我们在??这里选择１０?ＧＨｚ的布拉格光栅，并配合适量的色散补偿光纤来抑制光脉冲在长??光纤中的色散效应。??ｗｒ．．?．?ＩｎｆＳａＡｓ?ＳＰＤ?ＰＤ??ｍ?－＝ｇ?＾??：爾〇卜｜寧??Ｉ?二■?？?＼?ｅｖｏａ?｜ｂｓ?趨??ｔ?▼??严ｗ?ｙ?ＦＢＧ?＿??Ａｌｉｃｅ?Ｂｏｂ??Ｌｏｎｇ?Ｄｉｓｔａｎｃｅ??Ｏｐｔｉｃａｌ?Ｆｉｂｅｒ??图２．２实验装置图ｌ１？ｌ？其中ＤＦＢ?Ｌａｓｅｒ：分布反馈激光器，Ａｔｔ：手动衰减器，ＢＳ：分束器，??ＰＢＳ：偏振分束器，ＥＶＯＡ：电可调光衰减器，ＣＩＲ：环形器，ＦＢＧ：布拉格光栅，ＤＷＤＭ：??密集波分多路复用器，ＳＯＡ：半导体光放大器，ＥＰＣ：电偏振控制器，ＰＤ：光电二极管??探测器，ＳＰＤ：单光子探测器。所有器件均为光纤器件。??此外，我们还需要将相隔很远的Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ两套系统同步起来，这里我??们采用的是同步光的同步方式。我们选用波长为１５７０?ｎｍ的同步光激光器，产??生１００?ｋＨｚ的同步光脉冲。为了节省光纤资源，我们选择波分复用的方式，利用??１００?ＧＨｚ的密集波分复用器（ＤＷＤＭ）将同步光脉冲与信号光脉冲合束至同一??单模光纤中传输给Ｂｏｂ。在Ｂｏｂ端再利用中心波长相同的ＤＷＤＭ将同步光脉冲??与信号光脉冲分离开。??而当传输距离大于１００?ｋｍ时，我们需要利用一个半导体光纤放大器（ＳＯＡ）??对同步光进行放大后再使用光电二极管（ＰＤ）进行识别探测。在实验中，我们??发现，同步光脉冲进入ＳＯＡ后会有少量光脉冲被反
?第２章标准量子密钥分发协议实验研究???意，若；＝?，该方案将与方案一完全相同。??方案三基矢探测效率非对称条件下的新型四强度方案［１６］，即??得益于较高的系统频率，计算一次安全成码率需要发送ｉＶ个脉冲，而这仅??仅需要大约１６秒的时间。每一个距离、每一个方案我们重复进行３０次实验并计??算成码率的平均值和方差，作为最终的结果，如图２．３。??表２．３理论优化及实验的参数。??■ｓ〇?Ａｒ?ｔｄ?ｅｄ?ａ?ｆ?ｅ?Ｎ??２．５０Ｘ１０－７?ｌ?％?５．００?ｘ?１０－７?１．５％?０．２?１．１４?１０－１０?１０１０??其中ｓｎ、Ａｒ与Ｇ分别为探测器暗计数率、后脉冲率、死时间（ｓ），?￣为光失调误??差率，ａ表示量子信道传输损耗系数（ｄＢ／ｋｍ），／为纠错效率，ｅ为安全系数，Ｗ??为总发送脉冲数。??我们的实验主要分为两个部分，具体实验细节及测量数据可参考文献［１７］：??（１）我们将探测效率分别设为＝?１０％，ｋ?＝?５％，即＝?２。光纤传输距??离分别为８７、１２６、１４１、１５０?ｋｍ。从实验结果看，新型四强度方案成码率较两种??三强度方案有较大的提升。例如在８７?ｋｍ实验中，四强度方案成码率为３９?ｋｂｐｓ，??是方案一成码率的３．０倍，是方案二成码率的４．８倍。且四强度方案的最远传输??距离为１５０?ｋｍ，是其余两种方案均无法实现的。??（２）我们进一步提高效率失配程度至＝?１０，即＝?１０％，化＝１％。光??纤传输距离分别为６２、８７、１０７、１２６?ｋｍ。四强度方案的优势则更为明显。比如??在光纤传输８７?ｋｍ条件下，四强度方案的成码率为２０?ｋｂｐｓ，较三强度的两种方??案分别提高３
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