离散调制连续变量量子密钥分发的实验研究
连续变量量子密钥
连续变量量子密钥连续变量量子密钥通常是指用连续变量量子系统来实现量子密钥分发和量子密钥分发协议。
在传统的量子密钥分发中，通常使用离散变量量子系统，如量子比特，来进行信息传输和密钥分发。
然而，连续变量量子密钥的提出，为量子通信和量子密钥分发带来了新的可能性。
连续变量量子密钥分发的基本原理是利用连续变量量子系统中的连续变量来编码和传输密钥信息。
连续变量通常指的是量子系统中的连续物理量，如光的相位和振幅。
相比于离散变量，连续变量具有更高的信息传输速率和更低的实验要求，因此在量子通信中具有重要的应用价值。
在连续变量量子密钥分发中，通信双方通常使用光的连续变量来编码密钥信息。
通过光的相位和振幅的调制，发送方可以将密钥信息编码到光的连续变量中，并将其发送给接收方。
接收方通过测量光的连续变量，可以获取到发送方编码的密钥信息。
由于量子系统的本质，任何对光的连续变量的测量都会对其状态造成不可避免的扰动，因此，即使是被窃听的量子信道，也可以通过特定的协议来检测到窃听行为，并确保密钥的安全性。
在连续变量量子密钥分发中，最常用的协议是基于连续变量的一次态密度矩阵编码协议（CV-MDI-QKD）。
该协议通过发送和接收方的相互配合，实现了密钥信息的编码和传输。
发送方首先对密钥信息进行编码，然后将编码后的光信号发送给接收方。
接收方在接收到光信号后，通过测量光的连续变量，获取到发送方编码的密钥信息。
最后，发送方和接收方通过公开的经典信道，对测量结果进行比较和纠错，以确保密钥的一致性和安全性。
除了CV-MDI-QKD协议，还有其他一些基于连续变量的量子密钥分发协议，如基于连续变量的双向量子密钥分发协议（CV-BB84），基于连续变量的量子反馈协议（CV-QFB），以及基于连续变量的量子密钥分发协议（CV-QKD）。
这些协议都是基于连续变量的量子系统进行的密钥分发，具有不同的特点和应用场景。
总结起来，连续变量量子密钥是利用连续变量量子系统进行密钥分发和传输的一种方法。
用于连续变量量子密钥分发的传输方法与流程
用于连续变量量子密钥分发的传输方法与流程用于连续变量量子密钥分发的传输方法与流程引言•介绍连续变量量子密钥分发（Continuous Variable Quantum Key Distribution，CV-QKD）的概念和意义。
•提出使用CV-QKD的传输方法和流程，以确保信息的安全性和可靠性。
量子密钥分发原理1.描述量子密钥分发的基本原理，包括量子态的编码和解码过程。
2.介绍连续变量量子密钥分发的特点和优势。
传输方法与流程步骤1：准备1.确定参与者之间的通信设备和密钥分发系统的配置。
2.实施随机数生成算法，生成用于加密的随机密钥。
步骤2：初始化1.利用准备阶段生成的随机密钥和预共享的公共密钥，对传输信道进行初始化。
2.确保传输通道的安全性，防止信息被窃取或篡改。
步骤3：量子信号发射与接收1.使用量子信号发射器将光量子信号发送给接收器。
2.接收器对接收到的信号进行解码，并生成密钥比特。
步骤4：随机数校准1.对接收到的信号进行随机数校准，以消除传输过程中可能引入的噪声和干扰。
2.确保接收到的密钥比特与发送方生成的密钥比特一致。
步骤5：密钥提取1.使用校准后的信号进行密钥提取算法，提取出最终的密钥。
2.确保提取的密钥与预期的密钥相匹配。
步骤6：密钥认证与保密1.对提取出的密钥进行认证，验证其完整性和正确性。
2.使用密钥对信息进行加密和解密，确保传输的保密性。
步骤7：密钥更新与管理1.定期更新密钥，以保证密钥的安全性。
2.建立有效的密钥管理系统，确保密钥的合理分配和使用。
结论•总结CV-QKD的传输方法和流程，并强调其在信息安全领域的重要性和前景。
•强调不断改进和创新，以提高CV-QKD系统的性能和可靠性。
以上就是用于连续变量量子密钥分发的传输方法与流程的相关文章。
通过本文的介绍，读者可以更好地了解CV-QKD的原理和操作流程，并认识到其在信息安全领域的重要性。
通过不断改进和创新，CV-QKD有望在未来得到更广泛的应用。
光纤中连续变量量子密钥分发实验研究
Experimental Study of Fiber-Based Continuous-VariableQuantum Key DistributionABSTRACTQuantum key distribution(QKD)is one of the most important researchfield in quantum information.From an experimental point of view,QKD can be implemented with quantum discrete variables and continuous variables.What’s remarkable here is that the continuous-variable(CV)QKD promises to achieve a higher secret key rate, and it is a highly compact combination of coherent communication,thus that it could be easily integrated into the currentfiber network.Though the unconditional security of CV-QKD has been demonstrated,the secure distance(less than80km)and secret key rate(less than10kbps)are relatively low.Therefore,it is important for us to find out the limitations and then overcome these limitations when transforming the theoretical paradigm into a physical reality.The experimental achievements reported in the paper will include the latest theo-retical works,integrate the advanced technologies,and it mainly includes:1.Ultra-high sensitive and wideband shot-noise-limited balanced homodyne de-tectors(BHD)are developed.Because of the launching power limitation of local-oscillator(LO)in the long-distance CV-QKD,we developed an ultra-high sensitive BHD so that we can achieve the shot-noise limit detection as well as reduce the re-quirement of LO power at a distance beyond100km.The ratio between the shot noise and the electronic noise of our BHD is one order of magnitude larger than the reported state-of-art BHD,besides it has the ability to resolve the photon number.We also de-veloped a BHD which can achieve the shot-noise limit within1GHz bandwidth,which is much higher than the reported state-of-art wideband shot-noise-limited BHD.2.CV-QKD with a secure distance beyond100km is experimentally demon-strated for thefirst time.It is the longest CV-QKD over an opticalfibre channel yet demonstrated.Since the major limitation of the secure distance is the excess noise,our long-distance CV-QKD experiment combined with the excess noise analysis and controlling which utilized several advanced technical schemes,includes an ultra-high sensitive BHD,a high resolution phase compensation scheme,a high-efficiency classi-cal reconciliation scheme and so on.On the security side,the secure distance can reach 150km with the consideration of thefinite-size effects based on uncertainty principle, and the secure distance can also reach100km if we consider the recent composable security.The secure distance reported in this work almost doubles the record achieved in previous state-of-art experiment[Nat.Photonics7,378(2013)].3.50MHz CV-QKD is experimentally demonstrated for thefirst time,it is the highest repetition rate of the engineering system yet demonstrated.The major limita-tion of the repetition rate in a CV-QKD system is the bandwidth of BHD,and the ma-jor limitation of key rate per pulse is the excess noise.A wideband shot-noise-limited BHD and a high-speed and high-efficiency classical reconciliation are employed,so that we could improve the system repetition rate.Besides,the excess noise under the wavelength division multiplexing condition is analyzed and controlled.On the secu-rity side,thefinite-size effects are considered,and the secret key rate of1Mbps is achieved at a distance pared with the state-of-art experiment,owing to the great improvement of repetition rate,the secret key rate reported in this work is almost two orders of magnitude higher than the previous record.4.100MHz one-way CV-QKD without sending a LO is experimentally demon-strated for thefirst time,and we also introduce and experimentally demonstrate a plug and play dual-phase-modulated coherent states CV-QKD scheme.At the present stage, almost all of the security loopholes are focused on the transmitted LO.For the one-way CV-QKD reported in this paper,the LO is generated at the receiver’s side,so that we can defend all of the attacks associated with the LO.Meanwhile,we developed a new scheme to overcome the difficulty of conventional CV-QKD—two laser sources with high frequency stability are required.Based on the plug and play structure,we can use the dual-phase scheme to realize the CV-QKD with a locally generated LO using a single laser source,as well as keeping the security of the Gaussian scheme.5.Field CV-QKD network is demonstrated for thefirst time.This QKD network is based on the campus of Shanghai Jiao Tong University,four QKD nodes includingMinhang,Xujiahui,Fahua,and Qibao are connected based on commercial telecom-municationfiber links.In this paper,the excess noise caused by thefield environment is analyzed and controlled,and we also provide some improved methods.KEY WORDS:Quantum Information,Quantum Key Distribution,Continuous-Variable Quantum Key distribution,Quantum Key Distribution Network,Balanced Homodyne Detector.目录摘要iABSTRACT iii 目录vii 插图索引xiii 表格索引xv 主要缩略符号对照表xvii第一章绪论11.1密码学研究简史 (1)1.2量子密码与量子密钥分发 (2)1.3离散变量量子密钥分发国内外研究进展 (3)1.4连续变量量子密钥分发国内外研究进展 (5)1.4.1理论研究进展 (6)1.4.2实验研究进展 (7)1.5连续变量量子密钥分发特色、难点及研究脉络 (11)1.5.1连续变量量子密钥分发特色 (11)1.5.2连续变量量子密钥分发实验难点及研究脉络 (13)1.6各章节主要研究内容 (16)第二章连续变量量子密钥分发基础192.1量子物理基础 (19)2.1.1基本物理理论 (19)2.1.2量子光学理论 (21)2.2连续变量量子密钥分发协议及安全性 (28)2.2.1经典信息理论基础 (28)2.2.2连续变量量子密钥分发协议 (29)2.2.3协议理论安全性 (30)2.2.4系统实际安全性 (35)2.3本章小结 (40)第三章连续变量量子信号探测技术413.1散粒噪声极限探测 (41)3.2达到散粒噪声极限的高灵敏度平衡零差探测器 (43)3.2.1探测器设计及性能测试 (43)3.2.2光子数可分辨探测 (45)3.3达到散粒噪声极限的高速平衡零差探测器 (50)3.3.1300MHz带宽探测器设计及性能测试 (51)3.3.21GHz带宽探测器设计及性能测试 (55)3.4本章小结 (57)第四章远距离连续变量量子密钥分发594.1实验设计 (59)4.1.1光路设计 (59)4.1.2参数最优化 (61)4.2噪声分析和控制 (64)4.2.1通过使用弱本振光实现对过噪声的控制 (64)4.2.2通过使用高精度的相位补偿实现对过噪声的控制 (68)4.3实验结果分析 (73)4.4本章小结 (77)第五章高速连续变量量子密钥分发795.1实验设计 (79)5.2噪声分析和控制 (80)5.3实验结果分析 (83)5.4本章小结 (84)第六章本地本振连续变量量子密钥分发856.1实验验证本地本振单向连续变量量子密钥分发 (85)6.1.1单向本地本振量子密钥分发方案 (85)6.1.2实验设计 (86)6.1.3实验结果分析 (90)6.2实验验证本地本振往返式双相位调制连续变量量子密钥分发 (91)6.2.1往返式双相位调制方案 (92)6.2.2协议安全性分析 (97)6.2.3实验设计 (103)6.2.4噪声分析和控制 (106)6.2.5实验结果分析 (109)6.3本章小结 (110)第七章实地验证连续变量量子密钥分发网络1117.1实地验证网络结构及设计 (111)7.2实地系统噪声分析和控制 (114)7.2.1本振光光子反射及泄露 (115)7.2.2偏振补偿及本振光光子泄露 (118)7.3实地系统性能分析 (120)7.4本章小结 (122)第八章全文总结与展望123参考文献127致谢141攻读学位期间发表的学术论文143攻读学位期间申请的专利147攻读学位期间参与的项目149个人简历151插图索引1–1历史上第一次量子密钥分发实验 (4)1–2第一次实验验证高斯调制相干态连续变量量子密钥分发 (8)1–3连续变量量子密钥分发主要实验进展汇总 (11)1–4连续变量量子密钥分发研究脉络 (15)3–1弱相干态的误差圆以及平衡零差探测 (42)3–2高灵敏度平衡零差探测器噪声测试 (45)3–3自差分光子数分辨结果 (46)3–4光子数分辨平衡零差探测器噪声测试 (47)3–5光子数分辨平衡零差探测实验光路 (48)3–6光子数分辨平衡零差探测中的相位补偿 (49)3–7光子数分辨平衡零差探测时域测试 (49)3–8光子数分辨平衡零差探测分辨能力测试 (50)3–9光子数分辨平衡零差探测线性度测试 (51)3–10300MHz高速平衡零差探测器简化电路图 (52)3–11平衡零差探测器测试光路和电路 (53)3–12300MHz带宽平衡零差探测器噪声测试 (54)3–13300MHz带宽平衡零差探测器噪声频谱测试 (54)3–141GHz带宽散粒噪声极限平衡零差探测器噪声评估 (56)3–15探测器脉冲时域测试 (57)4–1远距离连续变量量子密钥分发实验光路 (60)4–2密钥率在0∼150公里不同安全距离下与调制方差之间的关系曲线62 4–3密钥率在60∼150公里不同安全距离下与调制方差之间的关系曲线62 4–4最优方差和其对应的信噪比随着安全距离的变化曲线 (63)4–5本振光和信号光复用和解复用的传输模型 (65)4–6集体攻击下由本振光泄漏引入的过噪声对密钥率和安全距离的影响 (67)4–7相位补偿评估 (72)4–8不同LDPC码的SNR门限与重复因子k的关系 (74)4–9不同LDPC码的效率与重复因子k的关系 (75)4–10过噪声评估 (75)4–11有限长效应下安全距离和密钥率的关系曲线 (76)5–1高速连续变量量子密钥分发实验框图 (80)5–2系统过噪声评估 (83)5–3密钥率和安全距离在有限长效应下的关系曲线 (84)6–1单向本地本振连续变量量子密钥分发实验光路 (87)6–2双激光器频谱调控及测试 (87)6–3相位漂移测试 (89)6–4过噪声测试 (91)6–5安全密钥率与安全距离随有限长数据量变化曲线 (92)6–6从单向高斯调制协议演变到往返式双相位调制协议 (94)6–7基于非可信信源模型的制备-测量模型 (98)6–8基于等效纠缠分发模型的双相位调制连续变量量子密钥分发协议99 6–9联合攻击下双相位调制协议的安全密钥率和信道损耗关系仿真.102 6–10本地本振往返式双相位调制连续变量量子密钥分发协议实验光路104 6–11往返式连续变量量子密钥分发系统中偏振漂移和偏振自补偿..105 6–12发送端实验测试得到的过噪声 (108)6–13基于不确定性原理和组合安全性原理的安全曲线 (109)7–1上海连续变量量子密钥分发网络实地示意图 (112)7–2实地验证连续变量量子密钥分发网络拓扑结构示意图 (112)7–3实地连续变量量子密钥分发协议实现示意图 (114)7–4实地实验连续变量量子密钥分发节点设备 (115)7–5本振光在光纤信道中的反射现象 (116)7–6偏振复用的本振光和量子信号信道传输后偏振的漂移和补偿情况119 7–7各个节点中的过噪声和安全密钥率测试结果 (121)表格索引1–1国外已报道的连续变量量子密钥分发实验 (9)1–2国际上已报道的连续变量量子密钥分发实地验证 (10)2–1已报道的针对GG02协议的漏洞攻击和防御 (36)3–1已报道的平衡零差探测器性能比较 (55)4–1MET-LDPC在AWGNC信道模型时的码率、效率及信噪比 (73)7–1实地验证连续变量量子密钥分发网络链路参数 (112)主要缩略符号对照表CV连续变量DV离散变量QKD量子密钥分发GMCS高斯调制相干态DMCS离散调制相干态GMES高斯调制纠缠态AW GNC加性高斯白噪声信道MET−LDP C多边低密度奇偶校验码LO本振光BHD平衡零差探测器P D光电探测器SQL标准量子极限SNL散粒噪声极限P NRD光子数可分辨探测AP D雪崩光电二极管SP D单光子探测器EP R量子纠缠态QAM正交振幅调制ASK幅移键控P SK相移键控W DM波分复用CW连续激光器BS分束器P BS偏振分束器AM幅度调制器P M相位调制器CW DM粗波分复用P IN光电二极管SSP D超导体单光子探测器AW G任意波形发生器DAQ数据采集系统ADC模拟数字转换器DAC数字模拟转换器F M法拉第镜SMF单模光纤V AT T可调衰减器DP C自动偏振控制器MUX波分复用器DEMUX解波分复用器RNG随机数生成器SASRS反斯托克斯拉曼散射RS瑞利散射第一章绪论保密通信一直以来都是通信领域的研究重点之一。
基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发
基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发张云杰;王旭阳;张瑜;王宁;贾雁翔;史玉琪;卢振国;邹俊;李永民【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2024(73)6【摘要】在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐,无需借助软件算法实现数据的对齐.本文采用了加拿大滑铁卢大学NorbertLütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法.该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩,以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率.计算过程中无需假设信道为线性信道,无需额外噪声的估算.密钥分发系统重复频率为10 MHz,传输距离为25 km,平均安全密钥比特率为24 kbit/s.本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步,减小了系统的复杂度和计算量,在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积,有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.【总页数】12页(P128-139)【作者】张云杰;王旭阳;张瑜;王宁;贾雁翔;史玉琪;卢振国;邹俊;李永民【作者单位】山西大学光电研究所;山西大学物理电子工程学院;山西大学;浙江大学【正文语种】中文【中图分类】TP3【相关文献】1.基于量子催化的离散调制连续变量量子密钥分发2.连续变量量子密钥分发离散调制方案的安全性分析与比较3.基于不可信纠缠源的高斯调制连续变量量子密钥分发4.基于非高斯态区分探测的往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
全光纤四态分离调制连续变量量子密钥分发解读
全光纤四态分离调制连续变量量子密钥分发【摘要】：现代社会已经步入信息化时代,信息安全的重要性日渐凸显。
能够保障信息安全的密码学越来越受到人们的重视,其应用已渗透到人们日常生活的各个领域。
基于量子力学基本原理的量子密钥分发可以使合法通信双方获得一组的无条件安全的随机密钥,该密钥可用于信息的加密与解密,进而实现双方的保密通信,任何第三方的窃听都可以被通信双方察觉到。
量子密钥分发的无条件安全性,使得相关的理论和实验进入了一个飞速发展的时期,在未来的国防、金融、网络和通信等领域具有广阔的应用前景。
连续变量量子密钥分发利用光场的正交分量作为信息的载体,所需光源易于制备,探测效率高,同时和当前的光通信网络具有良好的兼容性,近年来受到极大关注,在理论和实验方面均得到了迅猛的发展。
按照调制方式可将相干态连续变量量子密钥分发分为高斯调制和非高斯调制方案,四态分离调制方案属于非高斯调制方案,具有调制方法简单、数据协调效率高等优点,理论上可以实现距离长达百公里以上的安全密钥分发。
本论文从理论和实验两方面对基于该方案搭建的全光纤连续变量量子密钥分发系统展开了研究。
论文首先回顾了连续变量量子密钥分发的国内外发展动态,接下来对该领域内的基础理论知识进行了介绍,并对基于平衡零拍探测的四态分离调制连续变量量子密钥分发的无条件安全性进行了分析。
然后对适用于该领域的全光纤脉冲平衡零拍探测装置的各种特性及相应测量结果进行了分析,最后介绍了基于全光纤器件的实验系统,目前已在该系统上实现了距离为30km,安全密钥速率为1kbits/s的量子密钥分发。
本论文的主要工作内容包含以下三个方面。
1.理论分析了基于平衡零拍探测的四态分离调制相干态连续变量量子密钥分发方案的两种模型,它们是制备与测量模型和EPR纠缠模型。
在制备与测量模型中介绍了所选方案的编码规则,经过编码后双方可获得一组相关联的二进制数。
在该模型下,形象地给出了信号光场以及额外噪声在相空间中的演化过程。
cv-qkd 原理
cv-qkd 原理CV-QKD（Continuous Variable Quantum Key Distribution）是一种基于连续变量的量子密钥分发原理。
在传统的量子密钥分发（QKD）中，量子比特被用作信息的载体，而CV-QKD则利用了连续变量，如光的相位和振幅，来传输和分发密钥。
CV-QKD的原理基于量子力学中的连续变量的特性。
传统的离散变量量子密钥分发使用的是量子比特（qubit），它只能取两种离散的状态：0和1。
而连续变量则可以取连续的数值，比如光的相位和振幅可以在整个实数范围内变化。
这种连续性使得CV-QKD能够传输更多的信息量，从而提高了密钥分发的速率。
CV-QKD的工作原理可以简单地分为两个步骤：量子态的制备和密钥的分发。
在量子态的制备中，发送方使用激光器产生一束光，并将其分为两部分：一个用于量子态的制备，另一个用于测量。
在量子态的制备中，光经过一个调制器，改变了光的相位和振幅，从而将信息编码到光中。
然后，发送方将这个量子态发送给接收方。
在密钥的分发中，接收方收到了发送方传输的量子态，并使用一套特殊的测量装置来测量接收到的光的相位和振幅。
这个测量结果将被用于密钥的提取。
为了保证密钥的安全性，接收方还需要向发送方发送一些经典信息，用于纠错和随机化。
最后，发送方和接收方根据测量结果和经典信息来提取密钥，从而完成密钥分发的过程。
CV-QKD相对于传统的离散变量量子密钥分发具有一些优势。
首先，CV-QKD能够实现高速的密钥分发，因为连续变量可以携带更多的信息量。
其次，CV-QKD的实现比较简单，不需要使用单光子探测器等复杂的设备。
此外，CV-QKD对于光纤传输的损耗也比较鲁棒，能够在一定距离范围内实现密钥分发。
然而，CV-QKD也存在一些挑战和限制。
首先，CV-QKD对于光纤传输的损耗仍然是一个问题，随着传输距离的增加，密钥的传输速率会降低。
其次，CV-QKD对于光的相干性要求较高，需要使用稳定的光源和光学器件。
量子保密通信应用与技术探讨
量子保密通信应用与技术探讨摘要近年来,基于量子密钥分发的量子保密通信在应用方面进行了新的尝试和拓展。
基于量子密钥分发在传输距离和密钥成码率方面的研究进展和局限,提出了基于量子密钥分发的量子保密通信可分为量子密钥在线分发和量子密钥在线与离线结合分发两种模式;并基于两种模式的优劣势,提出两种模式的典型应用场景;最后对量子密钥分发在技术、设备、组网、网络能力提供等方面面临的问题进行了分析,并提出了一些解决思路。
量子保密通信的应用也与传统加密通信业务、系统和网络的发展紧密相关,需要产业链共同积极推动。
关键词：量子保密通信; 量子密钥分发; 应用AbstractIn recent years, new trials and expansions have been made in the application of quantum secure communication based on Quantum Key Distribution (QKD). In this paper, based on the progress and limitations of QKD in terms of transmission distance and key generation rate, we propose that quantum secure communication based on QKD can be divided into two modes: online distribution of quantum keys and online & offline combined distribution of quantum keys. The advantages and disadvantages of the two modes are analyzed, and the typical application scenarios of these two modes are introduced. The problems faced by QKD in terms of technology, equipment, networking, and network capability provision are discussed, and some solutions are proposed. The application of quantum secure communication is also closely related to the development of traditional encrypted communication services, systems and networks, and needs to be actively promoted by the industry chain. Keywords：quantum secure communication; quantum key distribution; application0 引言量子通信是以量子态为信息载体,通过量子态的传送实现量子信息或经典信息传送的技术。
远程连续变量量子密钥分发的关键技术研究
目录中文摘要 (I)ABSTRACT (III)第一章绪论 (1)1.1 量子密钥分发发展现状 (1)1.2 论文内容安排 (5)第二章连续变量量子密钥分发基础知识 (7)2.1 量子光学基本理论 (7)2.1.1 电磁场量子化 (7)2.1.2 量子不确定性原理 (9)2.1.3 量子不可克隆定理 (10)2.1.4 光子数态 (11)2.1.5 相干态 (11)2.1.6 相空间中的相干态 (12)2.2 信息论基础 (14)2.2.1 Shannon熵及其应用 (14)2.2.2 互信息量及其应用 (15)2.2.3 冯诺依曼熵及其特性 (16)2.2.4 Holevo边界 (17)2.3 基于高斯调制的连续变量量子密钥分发方案 (17)2.3.1 理论安全性分析 (18)2.3.2 实际安全性分析 (20)2.4 连续变量量子密钥分发的关键器件和关键技术 (21)2.5 本章小结 (22)第三章不完美高斯调制对连续变量量子密钥分发系统的影响 (23)3.1 研究背景 (23)3.2 不完美高斯调制对系统参数估计的影响 (24)3.2.1 不完美的振幅和相位调制 (24)3.2.2 信道参数的评估 (27)3.2.3 系统安全密钥速率的估计 (28)3.3 调制器工作参数对系统的影响及校准方法 (28)3.3.1 调制器工作参数 (29)3.3.2 调制器工作参数的精确校准 (31)3.4 本章小结 (34)第四章偏振变化对连续变量量子密钥分发系统的影响机制及高速偏振控制的实现 (35)4.1 研究背景 (35)4.2 偏振的基础知识 (35)4.3 偏振控制器 (38)4.4 偏振控制研究现状 (42)4.5 积分型光探测器 (42)4.6 FPGA硬件 (43)4.7 偏振态变化对系统关键参数的影响机制 (44)4.8 连续变量量子密钥分发系统的偏振控制单元 (45)4.9 模拟退火算法 (46)4.9.1 多步长模拟退火算法 (48)4.9.2 算法效果的测试 (49)4.10 自适应梯度算法 (51)4.11 梯度算法的测试结果 (53)4.12 连续变量量子密钥分发系统的高速偏振控制实验实现 (56)4.13 本章小结 (58)第五章连续变量纠缠态光场高保真度量子频率变换实验研究 (59)5.1 研究背景 (59)5.2 量子态频率上转换的理论基础 (60)5.3 纠缠态量子频率上转换的实验实现 (62)5.3.1 频率上转换的实验装置 (62)5.3.2 实验结果和讨论 (63)5.4 本章小结 (67)第六章总结和展望 (69)参考文献 (71)攻读学位期间取得的研究成果 (83)致谢 (85)个人简介及联系方式 (87)承诺书 (89)学位论文使用授权声明 (91)ContentsChinese Abstract (I)ABSTRACT (III)Chapter 1 Introduction (1)1.1 Research background of quantum key distribution (1)1.2 Main contents of the paper (5)Chapter 2 Fundamental knowledge of CV-QKD (7)2.1 Basic theory of quantum optics (7)2.1.1 Quantization of electromagnetic field (7)2.1.2 Heisenberg’s uncertainty principle (9)2.1.3 Quantum non-cloning theorem (10)2.1.4 Fock state (11)2.1.5 Coherent state (11)2.1.6 Coherent state in phase space (12)2.2 Basis of information theory (14)2.2.1 Shannon entropy and its application (14)2.2.2 Mutual information and its application (15)2.2.3 V on Neumann entropy and its characteristics (16)2.2.4 Holevo boundary (17)2.3 CV-QKD protocol based on Gaussian modulation (17)2.3.1 Theoretical security analysis (18)2.3.2 Practical security analysis (20)2.4 Key devices and technologies in CV-QKD (21)2.5 Conclusion (22)Chapter 3 The influence of imperfect Gaussian modulation on CV-QKD (23)3.1 Background (23)3.2 The influence of imperfect Gaussian modulation on key parameters of the QKDsystem (24)3.2.1 Imperfect amplitude and phase modulation (24)3.2.2 Evaluation of channel parameters (27)3.2.3 Estimate of security key rate (28)3.3 The influence of the elctronic-opto modulator’s parameters on the system and thecorresponding calibration methods (28)3.3.1 Modulator’s parameters (29)3.3.2 Calibration of modulator’s parameters (31)3.4 Conslusion (34)Chapter 4 Influence mechanism of polarization on CV-QKD system and high speed polarization control (35)4.1 Background (35)4.2 Basic knowledge of polarization (35)4.3 Dynamic polarization controller (38)4.4 Research background of polarization control (42)4.5 Integral photodetector (42)4.6 FPGA hardware (43)4.7 The influence mechanism of the change of SOP on the key parameters in the CV-QKD system (44)4.8 Polarization control unit in CV-QKD system (45)4.9 Simulated annealing algorithm (46)4.9.1 Multistep simulated annealing algorithm (48)4.9.2 Experimental results (49)4.10 Self-adaptive gradient algorithm (51)4.11 Experimental results of self-adaptive gradient algorithm (53)4.12 High speed polarization control based CV-QKD system (56)4.13 Conclusion (58)Chapter 5 Quantum frequency up-conversion of continuous variable entangled states (59)5.1 Background (59)5.2 Theoretical basis of quantum frequency up-conversion (60)5.3 Experiment setups of frequency up-conversion of entangled states (62)5.3.1 Experimental setup (62)5.3.2 Experimental results and discussion (63)5.4 Conclusion (67)Chapter 6 Summary and outlook (69)Biblography (71)Research achievements (83)Acknowledgment (85)Personal profiles (87)Letter of commitment (89)Authorization statement (91)中文摘要近年来，高效安全的信息传输日益受到人们的关注。
连续变量量子逻辑操作的实验研究
连续变量量子逻辑操作的实验研究1连续变量量子逻辑操作的研究量子逻辑操作是量子计算的基础，在处理连续变量时仍然具有诸多有效的应用。
因此，连续变量量子逻辑操作的研究是物理学和计算机科学交叉方向发展的重要自然语言研究领域之一。
在连续变量量子逻辑操作的研究方面，学者们通过尝试不同种类的器件、结构和系统方面的连续变量量子操作，寻求量子计算最有效的解决方案和平台。
这种空前发展也为我们提供了另一种实现量子计算的可能方案，它有着一系列优势，例如可以实现更高的计算量和更高的可靠性。
首先，在传统的量子计算中，传统的数字和位置逻辑操作是利用单位门和多位门构成的基本系统，这可以用来完成比特位的运算或是用于加减乘除等基本的数学操作。
而连续变量量子逻辑操作，则是基于基于振荡器来实现连续变量的量子控制，基于连续变量而不是离散变量，从而实现更复杂的性质逻辑操作。
这些操作可以应用到空间和时域系统中，对于对连续变量控制的量子计算有重要的发展意义。
其次，连续变量量子操作的研究还有可能提供实现量子传感器的新方法，因为这些逻辑操作可以更准确地控制和构建量子传感器。
通过传感器数据，可以有效传输、检测、移动实体物体，从而进一步提高计算性能和精密计算。
此外，量子传感器也可以用于精准测量和定位，因此也能够提供更准确的便利。
最后，连续变量量子逻辑操作的研可以满足一些难以满足的物理需求，而量子计算的进一步发展也会多样化行业的，特别是一些以前典型计算繁杂的行业，例如医疗健康、基因组学、机器视觉和自动驾驶等，将受到量子计算的大幅推动。
从上就可以看出，连续变量量子逻辑操作已经发展成为一个具有重要意义的研究领域，为未来量子计算的快速发展提供了强有力的支持。
希望未来学术界会更多地关注这一重要研究方向，使其成为一个普遍学习和实施的量子技术。
连续变量量子密钥分发数据后处理研究进展
影响[5] ,其表达式为:
β
=
R C
(5)
公式(5) 中 R 表示所使用纠错码的码率, C
=
1 2
log2 (1 + SNR) 表示信道容量( 假设量子信道为高斯 信道) ,信道纠错码的码 率 总 是 小 于 或 等 于 信 道 容 量,
所以有 0 ≤ β ≤ 1。 图 2 展示了标准单模光纤信道和
密钥协调的初期研究主要集中在 提 高 协 调 效 率 上,经过科研人员多年的努力,协调效率目前已经能
够达到 95% 以 上,可 以 满 足 CV-QKD 系 统 的 基 本 需 求。 近些年,随着技术的快速发展,QKD 系统后处理 过程的研究逐步聚焦到高速化、实用化方面。 表 1 中 总结了近年来 CV-QKD 系统数据协调在提高效率和 吞吐量方 面 的 一 些 研 究 进 展, 可 以 看 到: 一 方 面, 目 前协 调 效 率 能 够 达 到 95% 以 上, 基 本 能 够 满 足 CV-QKD 系统的需求;另一方面,吞吐量最高可以达到
GPU) 等。 在使用纠错码进行数据协调时,是以孤立的
裸码块为单位进行的,一个裸码块称之为一帧。 一次
密钥分发过程测量产生的裸码往往需要分为很多帧来
分别进行数据协调,帧错误率表征了数据协调失败的
概率,显然帧错误率越低越好。
2 数据协调
1. 1 后处理过程对系统密钥率的影响
理想情况下,CV-QKD 系统的密钥率可以表示为:
专题:量子通信
连续变量量子密钥分发数据后处理研究进展
杨申申1 卢青2 卢振国2 李永民2
(1. 山西师范大学,临汾 041000; 2. 山西大学,太原 030006)
摘要:连续变量量子密钥分发能够为合法通信双方提供信息理论上无条件安全的密钥,在信息安全领域 有着广泛的应用前景,其中数据后处理单元是连续变量量子密钥分发系统中不可或缺的组成部分。 首 先阐述了连续变量量子密钥分发数据后处理的两个子过程( 数据协调和私密放大) 在系统中的重要作用 及其对系统的影响;然后阐述了两个子过程的基本原理、主要方案和相关研究进展;最后讨论了数据后 处理未来的技术发展路线。 关键词:量子密钥分发;连续变量;后处理;数据协调;私密放大 中图分类号:TN918;O413;TN911 文献标识码:A 引用格式:杨申申, 卢青, 卢振国, 等 . 连续变量量子密钥分发数据后处理研究进展[J]. 信息通信技术 与政策, 2021,47(7) :8-16. doi: 10. 12267 / j. issn. 2096-5931. 2021. 07. 002
极低信噪比下的连续变量量子密钥分发后处理算法研究
极低信噪比下的连续变量量子密钥分发后处理算法研究量子密钥分发能够提供无条件安全的密钥,其安全性是由量子物理的基本原理保证的。
基于量子不可克隆定理、量子测不准原理,任何对量子密钥分发进行窃听的行为都会产生扰动,都能被合法通信双方检测出来,从而保证了量子密钥的无条件安全性。
量子密钥分发技术可分为离散变量和连续变量两大类。
基于单光子的离散变量类协议,在单光子态的制备、传输和检测方面,付出的成本较高。
而基于高斯调制相干态的连续变量类协议可以利用经典相干光通信中的器件,大大降低了量子态制备与测量的难度和成本,吸引了广大学者的研究。
近年来,连续变量类协议不仅在理论上取得了重大的突破,在实验上也获得了快速的发展。
和单光子技术相比,当前的连续变量量子密钥分发技术的传输距离相对较短,密钥产生实时性较差。
后处理对上述连续变量量子密钥分发系统中存在的问题具有重要的影响。
本文针对上述问题,对后处理进行深入研究。
主要工作如下:1.高协调效率后处理算法研究与实现。
协调效率对系统传输距离具有重要的影响,本文提出两种高效的后处理数据协调算法。
一种基于polar码的slice协商算法,研究了slice协商算法,包括连续变量的量化,各级互信息计算等,并基于polar码实现多级编译码算法,协调效率达到了92%以上。
另一种基于多边类型低密度奇偶校验码(LDPC)的多维协商算法,首先研究了多维协商算法,然后利用LDPC码密度进化算法设计度数分布,并构造纠错性能接近香农极限的多边类型LDPC码校验矩阵,结合两者实现了极低信噪比下的高效纠错算法,协调效率达到了98.66%,支持超过200km的连续变量量子密钥分发系统。
2.面向实际应用的后处理算法研究与实现。
在实际通信环境中数据利用率较低,提出利用所有数据进行参数估计和密钥提取算法,提高了参数估计的精度和安全码率的准确度,结果表明,该算法有效提升了系统安全码率和传输距离。
针对实际通信环境中量子信进波动的问题,提出了码率自适应算法,可以根据实际系统量子信道噪比灵活等效调整纠错码码率,以保证在一定信噪比范围内保持较高的协调效率。
量子密钥分发在光纤通信中的实验研究
量子密钥分发在光纤通信中的实验研究一、量子密钥分发技术概述量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）是一种基于量子力学原理的安全通信技术，它利用量子的不确定性和不可克隆性来实现密钥的安全分发。
与传统的密钥分发方法相比，QKD具有理论上的无条件安全性，即使在面对量子计算机的攻击下，也能保持密钥的安全性。
1.1 量子密钥分发的基本原理量子密钥分发的基本原理是利用量子比特（qubits）来传输密钥。
量子比特可以是光子的偏振状态、电子的自旋状态等，它们具有叠加态和纠缠态的特性。
在QKD过程中，发送方（Alice）和接收方（Bob）通过量子信道交换量子比特，通过测量结果的随机性来生成密钥。
1.2 量子密钥分发的实现方式量子密钥分发的实现方式主要有几种，包括BB84协议、E91协议、SARG04协议等。
其中，BB84协议是最著名的一种实现方式，它通过随机选择基和量子比特的编码来实现密钥的生成和传输。
二、量子密钥分发在光纤通信中的应用光纤通信是现代通信网络的重要组成部分，具有传输距离远、带宽大、抗干扰性强等优点。
将量子密钥分发技术应用于光纤通信，可以进一步提升通信网络的安全性。
2.1 光纤通信系统的组成光纤通信系统主要由发送端、接收端和光纤传输介质组成。
发送端负责将信息编码成光信号，通过光纤传输到接收端，接收端再将光信号解码还原成原始信息。
2.2 量子密钥分发与光纤通信的结合在光纤通信系统中，量子密钥分发可以与经典通信信号共用光纤传输介质，实现密钥的生成和传输。
这种结合方式不仅可以提高光纤通信的安全性，还可以充分利用现有的光纤通信基础设施。
2.3 量子密钥分发在光纤通信中的实验研究量子密钥分发在光纤通信中的实验研究主要包括以下几个方面：- 量子信道的建立：研究如何利用光纤作为量子信道，传输量子比特。
- 量子信号的调制与解调：研究如何对量子比特进行有效的调制和解调，以适应光纤通信系统的要求。
一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的slice协商方法[发明专利]
![一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的slice协商方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/67e979fe0b4e767f5bcfce88.png)
专利名称：一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的slice 协商方法
专利类型：发明专利
发明人：张一辰,王翔宇,喻松,郭弘
申请号：CN201810435689.9
申请日：20180504
公开号：CN108650083A
公开日：
20181012
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的slice协商方法，该方法具体实现步骤如下：步骤1：根据离散调制的位数以及系统参数选定slice协商层数，计算最优量化区间并进行区间划分；步骤2：其中一方根据量化区间，对原始密钥进行量化编码，计算并发送边信息帮助另一方进行译码；步骤3：另一方接收边信息，然后选择纠错码，进行译码初始化，最后进行译码以获得一致的纠错后密钥。
本发明中的方法可以实现高效离散调制连续变量量子密钥分发后处理数据协调算法。
申请人：北京邮电大学
地址：100876 北京市海淀区西土城路10号
国籍：CN
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对 于 信道
的情 况
通过 选 择 最 优 的 调 制 方 差
,
我 们 最 终 得 到 的 安 全 码率
连 续 变量 量 子 密 钥 分 发 中 的 信 源 监控 问 题
杨健
,
郭弘
’
北 京 大 学 信 息科 学 技 术 学 院
。
】
离 散 调 制 连 续 变量量 子 密 钥 分 发 的 实验 研 究
邹 宏新
,
沈 咏
,
田
亮
国 防 科学技术 大学 理 学 院物 理 系 长 沙
我 们 在 自 由空 间 中用 强 相 干 态 进 行 了 离散 调 制连续 变 量 量 子 密 钥 分 发 的 实 验 演 示
。
这种 方 案
在 信 噪 比很 低 的 情 况 下 仍 然 能 够 达 到 很 高 的 协 调 效 率 洁 器和 移频 的方 法 方案
。
对 于组成 量 子路 由器 图回路 理论 的 非
。
各个 器 件 之 间 的连 接
对 称连 接
,
,
一 种 是 基 于 奇 数阶 完 全
,
另 一 种 是 较 为 简单 的 对 称 连接
另外
我 们 还 发现
,
光 环 行 器 引 入 的路 由 自 由度 和 波 分
复 用 器 引 入 的 波 长 自由 度 以 及 偏振 分 束 器 引 入 的 偏振 自 由度 有着 完 全 不 同 的性质
,
另 外 我 们 提 出 了 一 种 从 采 样数 据 中提 取 测 量 结 果 的 方 法
,
这样 可 以消 除窃 听 者 在接 收方 采 样
,
点之 外的 时间段 中进 行攻 击 的安全 隐患 衰减 为 为 编码 速率 为
。
当 假 设 窃 听 者 不 能 对 接收 方 探 测 器 进 行 攻 击 时
。
,
因 此 能 够适 用 于 长 距 离 通 信
。
。
通 过使 用模 清
,
我 们 将 光源 的 振 幅 噪 声 压 缩 到 散粒 噪 声 极 限
。
同 时 我们 还 证 明 了 光 源 的 相 位 噪
声 不 会对 最 终 的 安全 性 产 生 影 响
为 了提 高安全 码 率
。
,
我 们 使 用 了 宽带 的 平 衡 零 拍 探 测 器 和 无 开 关
量 子路 由器 点
,
。
、
光 环 行 器 和 偏 振分 束器 等被 动 光 学 器 件
,
提出一 种 波 长 节 约 型 全 时 全通
,
以该 量 子 路 由器 为核 心 构 建 的全 时 全 通 量 子 密 钥 分配 网 络
,
个波 长 可 支 持
。
个节
该 量 子 密 钥 分 配 网 络 中任 意 两 个 节 点 可 以在 任 何 时 刻 同 时进 行 密 钥 分发 我们 提 出 两 种 不 同 的方 式
第 于四届 全 国 量 子 光 学学术 报 告会
年
月
一
日
,
山东 曲阜
报 告摘 要集
,
,
,
,
!
, ,
,
权
溯
!
,
,
,
,
,
。
。
波 长节 约 型 全 时全 通 量 子 密钥 分 配 网 络
王双
,
刘东
,
黄靖正
,
周政
,
张阳
,
陈巍
,
韩正 甫
,
郭 光灿
中 国 科 学技术大 学 量 子 息 重 点 实 验 室 信
本 文 基 于波 分复用 器