高性能连续变量量子密钥分发理论方案研究

论文摘要

量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）是量子保密通信与量子信息处理中一个重要的研究方向,它理论上的无条件安全性是由量子力学的基本原理所保证。量子密钥分发主要包括基于单光子编码类的离散变量（Discreet Variable,DV）和基于光场正则分量编码类的连续变量（Continuous Variable,CV）两大类协议。连续变量量子密钥分发由于具有较高密钥码率、易于与传统光纤网络融合、实验部署较简单、可靠性较高等优势,近年来得到了国内外研究者的广泛关注,并且在理论方案设计和实验实现中均取得了重要成果。目前连续变量量子密钥分发方案主要是基于单路的高斯调制相干态协议,但由于协议本身的特征以及一些器件的非完美性,一定程度上制约了CVQKD的进一步发展,例如窃听者针对本振光的漏洞、探测器的漏洞等对系统进行的攻击。近几年,一些新型的CVQKD方案相继被提出,例如,基于往返式双相位调制协议的方案可以减小窃听者针对本振光攻击带来的密钥损失;基于测量设备无关协议的方案可以有效地去除窃听者针对实际探测器的所有侧信道攻击。然而,这些协议通常具有传输距离较短、未充分考虑实际安全性能、实验实现复杂等不足,因此具备高性能的CVQKD方案协议的提出,对提高CVQKD系统的性能、对CVQKD系统的实际安全性能分析以及针对现有CVQKD协议的改进都有着重要意义。本论文围绕CVQKD中的高性能理论方案展开研究,主要涵盖以下创新性研究内容:（1）提出了利用无噪线性放大器来提高往返式双相位调制的CVQKD协议性能的方案,通过密钥率的计算和仿真发现无噪线性放大器虽然是概率性放大器件,但是在它成功运作的情况下能够使信道的最大损耗提高约20 log10gd B,同时它还能提高系统对过噪声的容忍程度以及系统的鲁棒性。（2）针对基于无噪线性放大器的单路CVQKD协议的实际安全性能进行了详细的分析,不仅考虑了实际系统中非完美零差探测器、放大器非完美放大过程、还分析了有限长效应框架下的密钥率曲线图。其中有限长效应对协议的影响与合法通信双方间交换的总数据量有很大的关系,经过分析计算可以得出在实际方案实施中,双方交换的总数据量也会成为影响系统性能的一个关键参数。提高合法双方交换的数据总量,可以使系统的实际性能更接近渐进情形下的系统性能。（3）首次提出了基于被动态制备的连续变量测量设备无关量子密钥分发协议,该协议可以使用常规热源通过分束器来产生相关联的两个模式,然后再根据传统测量设备无关协议的基本步骤实现密钥分发。该协议可以有效地减小系统的复杂度以及消除由调制器消光比不足带来的安全性漏洞。同时,本论文还考虑了在有限长效应下该方案的系统实际性能。此外,仿真结果表明可以通过提高热源平均光子数的方法,来高效地提高系统的性能以及抑制由被动态制备引入的额外过噪声。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 白栋允

导师: 曾贵华

关键词: 连续变量,量子密钥分发,无噪线性放大器,往返式双相位调制,有限长效应,实际安全性能,被动态制备,测量设备无关协议,热态

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 上海交通大学

分类号: TN918.4;O413

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.001938

总页数: 102

文件大小: 5227K

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