基于光子轨道角动量的量子密钥分配协议研究

摘要

量子密钥分配是量子保密通信中最具有发展潜力的分支，它是量子力学和密码学相结合的产物，其无条件安全性使它受到越来越多的关注。
　　本文从最基本的量子密钥分配协议BB84协议和六态协议入手，利用光子的轨道角动量作为信息载体，提出基于BB84协议和六态协议的改进协议，通过Labview软件对密钥分配过程中的密钥率和误码率进行了仿真。仿真结果跟理论分析相一致。然后以密钥分配的基础知识作为指导，以符合计数的测量方法作为手段，提出了基于Poincaré球面光子轨道角动量的高效的量子密钥分配方案，并在理论上进行了仿真。
　　光束在自由空间传输时要受到大气湍流的影响，因而密钥分配过程会受到不同程度的影响。文中将大气湍流模型加入到密钥分配仿真过程中，主要考虑大气湍流折射率常数和传输距离对其影响，在不同的影响因子和影响程度下对误码率进行了仿真。通过仿真结果可以看出，大气湍流对密钥分配的影响显著；最后针对大气湍流产生的误码率问题，提出利用纠错编码的方法进行减弱。文中主要采用简单的（7,4）线性分组码进行纠错编码，并将其加入到密钥分配仿真中。通过仿真结果对比，可以看出，加入纠错编码后，密钥分配的误码率明显下降。由此可以看出，纠错编码是减弱大气湍流对密钥分配影响的一种有效的方法。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2研究现状

1.3论文主要内容

第二章量子密钥分配理论知识

2.1量子力学中基本概念

2.1.1量子比特的描述

2.1.2测量

2.1.3量子纠缠

2.2密钥分配无条件安全性依赖的三个原理

2.2.1海森堡测不准原理

2.2.2不可克隆定理

2.2.3非正交量子态不可区分定理

2.3轨道角动量

2.3.1轨道角动量基本概念

2.3.2具有轨道角动量光束的产生方法及特点

2.3.3拉盖尔-高斯（Laguerre-Gauss,LG）模

2.4符合计数

2.5本章小结

第三章基于光子轨道角动量的量子密钥分配协议

3.1基于轨道角动量的BB84协议及仿真

3.1.1BB84协议

3.1.2基于轨道角动量的改进BB84协议及仿真

3.2基于轨道角动量的六态协议及仿真

3.2.1六态协议

3.2.2基于轨道角动量的改进六态协议及仿真

3.3基于Poincaré球面轨道角动量的密钥分配协议及仿真

3.3.1Poincaré球面介绍

3.3.2基于Poincaré球面进行密钥分配的原理

3.3.3基于Poincaré球面进行密钥分配方法及仿真

3.4误码率门限

3.5本章小结

第四章大气湍流对量子密钥分配协议的影响

4.1大气湍流及大气湍流模型

4.1.1大气湍流折射率结构函数

4.1.2大气湍流数学模型

4.2大气湍流对光束的影响

4.2.1大气湍流折射率结构常数对光束的影响

4.2.2传输距离对光束的影响

4.3大气湍流对基于光子轨道角动量密钥分配协议的影响

4.3.1大气湍流对基于轨道角动量的改进BB84协议的影响

4.3.2大气湍流对基于轨道角动量的改进六态协议的影响

4.3.3大气湍流对基于Poincaré球面轨道角动量密钥分配协议的影响

4.4本章小结

第五章纠错编码减弱大气湍流对量子密钥分配的影响

5.1（7,4）线性分组码简介

5.1.1线性分组码的基本概念

5.1.2（7,4）线性分组码

5.2纠错编码对量子密钥分配误码率的影响

5.3仿真结果与分析

5.4本章小结

第六章全文总结

6.1论文主要做的工作

6.2进一步的工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文