发送或不发送量子密钥分发协议的研究

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在量子力学的理论指导下,量子通信可以确保合法用户间通信的安全性,而目前量子通信常指量子密钥分发过程。发送或不发送量子密钥分发(Sending or Not Sending Quantum Key Distribution,SNS-QKD)协议是在双光场量子密钥分发(Twin-Field Quantum Key Distribution,TF-QKD)协议启示下的改进。像典型的双信道量子密钥分发协议一样,如设备无关量子密钥分发(Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution,MDI-QKD)协议,它能够免疫测量设备端的任何攻击,并且继承了TF-QKD没有量子中继情形下突破量子通信安全密钥容量(Secure Key Capacity,SKC)界的优点。除此之外,SNS-QKD还可以容忍巨大的非对准错误。因此,SNS-QKD协议成为了当前量子通信的研究热点之一。本文主要是从信源与信道两个方面入手研究SNS-QKD协议。具体研究工作和成果如下:(1)为了提高发送或不发送量子密钥分发(SNS-QKD)的性能,论文提出一种基于标记配对相干态光源(Heralded Pair Coherent Source,HPCS)的发送或不发送量子密钥分发(HPCSSNS-QKD)协议,称为HPCS-SNS-QKD协议,以HPCS光源替代弱相干态光源(WCS),减少了真空态脉冲的占比,降低了误码率,并给出密钥生成率与安全传输距离关系推导和在脉冲总数有限条件下的密钥率的表达。数据仿真表明,HPCS-SNS-QKD协议可以突破单光子密钥传输距离界限,相比于弱相干态光源下的SNS-QKD协议,HPCS-SNS-QKD的安全传输距离更远、密钥率更高、失调错误容忍度更高;在相同脉冲数下,HPCS-SNS-QKD的密钥率也总是要高于WCS-SNS-QKD的密钥率。(2)为了确保能够在自由空间中分析SNS-QKD协议,为无线SNS-QKD提供支撑,论文提出了一种基于前置阈值实时选择的SNS-QKD协议。当Alice和Bob分别从两端向中间Charlie端发送脉冲信号时,由于大气湍流作用将会导致两边通道的实时不对称,使得密钥率显著降低,现将不对称通道下前置阈值实时选择的方法应用于SNS-QDK协议中,由Charlie端根据系统实验参数预先选择好固定阈值对信号进行后选择而无需在通信完成后进行阈值优化后选择。仿真结果表明,基于前置阈值实时选择的SNS-QKD协议可以减少大气湍流对协议造成的影响,采用前置阈值后选择的SNS-QKD方案较于无后选择的SNS-QKD协议传输距离更远、性能更高。
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