双路连续变量量子密钥分发协议的安全性分析

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量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)可以使真实通信的双方(通常把发送方称为Alice,接收方称为Bob)获得安全的密钥而不用限制窃听者(称为Eve)不违反物理规律的能力. QKD的安全性是由物理原理而不是数学上计算的复杂度来保证的,因而有广泛的应用前景.连续变量量子密钥分发(Continuous-Variable Quantum Key Distribution,CVQKD)虽然有很多优点,但是其安全距离易受过量噪声的影响.为了提高CVQKD的可容忍噪声,人们提出了一种双路CVQKD协议.本文对原始的双路CVQKD协议进行了改进并分析了安全性.主要研究内容包括:提出了一组新的双路CVQKD协议并给出了安全性分析.虽然最早StefanoPirandola等提出的双路CVQKD协议相比于单路相干态协议,可以显著地提高可容忍噪声,但是其对于一般的集体攻击,必须组成双路和单路的混合协议并随机地选择单路和双路协议,以便对信道进行层析扫描(tomography)来分析安全性,这在实际操作中增加了实现的难度.因此,本文提出了一组新的双路CVQKD协议.在Alice端,用一个被动操作代替原来的主动操作.这样可以得到Eve对Alice和Bob系统的纯化,从而可以利用高斯攻击最优性这种成熟的证明方法来进行安全性分析,避免了用层析扫描进行分析,使得新协议在实验上更容易实现.本文还给出了可实现的制备测量方案.数值模拟的结果表明新的双路CVQKD的可容忍噪声比单路的高.在采用实际的实验值时,不管是安全码率还是传输距离,新的双路CVQKD协议的表现都远好于单路相干态协议.另外,本文还提出了添加加性噪声的改进的双路CVQKD协议并给出了安全性分析.在单路CVQKD协议中,人们已发现在Bob的探测端添加适当的噪声反而会提高安全码率.作者把此想法应用到本文提出的新的双路CVQKD协议中,在Bob的探测端添加适当的噪声以改进双路CVQKD的表现.考虑信道之间关联的影响,进行了安全性分析并对集体纠缠克隆机攻击进行了数值模拟.数值模拟结果表明,在Eve对两个信道输入的噪声的方差相同的情况下,尽管有关联信道的安全码率比无关联信道的略低,但是双路CVQKD的表现依然远优于单路相干态CVQKD.另外,添加合适的噪声有利于提高双路CVQKD的可容忍噪声和安全码率,双路CVQKD的最优的可容忍噪声远大于单路相干态CVQKD.在考虑实际的实验值和协调效率为90%的条件下,添加适当加性噪声的新的双路CVQKD的安全码率传输距离超过60km光纤距离.
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