量子密钥分发

摘要： 在对可信中继量子密钥分发(QKD)网络特点及其局限性进行分析的基础上,提出了一种基于QKD网络虚拟化的量子密钥服务中台技术。量子密钥服务中台是解决QKD规模应用难题的创新技术方案,具有更高的安全性、服务效率、应用灵活性,以及良好的应用前景。

摘要： 针对经典区块链共识机制面临量子计算机攻击的问题,提出了一种量子安全拜占庭容错共识机制。首先,对于公钥数字签名存在的安全隐患问题,采用QKD网络进行量子密钥分发,通过经典网络传输消息和签名等信息,提出了一种基于量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)和多线性哈希函数族的无条件安全签名方案(Multilinear Hash-Unconditionally Secure Signature,MH-USS),该方案中的签名具备不可伪造性、不可抵赖性以及可传递性,并且该方案可在现有设备上实现,具有较高的实用价值。然后,针对经典拜占庭容错共识机制PBFT共识效率相对较低的问题,提出了一种QS-BFT(Quantum-Secured Byzantine Fault Tolerance)共识机制。最后,通过增设“快速-标准”双共识模式以及允许节点对空区块投票的方式,减少系统通信次数并消除视图转换过程,使方案不仅具备安全性与活性,还能够有效降低消息复杂度,提高共识效率。对所提方案进行仿真实现与性能测试,结果表明,与改进后基于MH-USS签名方案的PBFT共识机制相比,所提方案吞吐量更高、时延更短。

摘要： 我国光纤量子密钥分发距离创世界纪录日前从中国科学技术大学获悉,该校郭光灿院士团队韩正甫教授及其合作者近期实现了833公里光纤量子密钥分发,将安全传输距离世界纪录提升了200余公里,向实现千公里陆基量子保密通信迈出重要一步。该成果1月17日在线发表于《自然·光子学》。量子密钥分发基于量子物理的基本原理,在信息安全层面上提供了窃听可感知的密钥分发手段。

摘要： 中国科学技术大学郭光灿院士、韩正甫教授及其合作者王双、银振强等,实现833.8千米光纤量子密钥分发,将安全传输距离世界纪录提升了200余千米。相比于国内外其他研究团队的研究,该成果不仅将光纤量子密钥分发距离从五六百千米大幅提升至833.8千米,而且将安全码率提升了50~1000倍,为实现千公里量级陆基广域量子保密通信网络迈出重要一步。

摘要： 数据协商是量子密钥分发(QKD)协议的重要步骤之一,其协商效率直接影响着QKD的密钥率。为此,提出一种基于级联Polar码和多级译码方法的连续变量QKD数据协商协议,该协议在多级编码调制系统的基础上,利用纠错性能更好的级联Polar码作为分量码应用到多级译码中。仿真分析了该协议的性能,结果表明所提出协议的协商效率极大提高,同时密钥的比特错误率也极大地降低,当信噪比等于0.5 dB时该协议的误比特率小于10^(-3)。研究结果对连续变量QKD的应用具有重要价值。

摘要： 星地量子密钥分发过程中,在空间链路衰减一定的条件下,可以通过提高卫星的光量子波包发射频率来提升系统的成码量。然而,随着光量子波包发射频率的升高,接收端恢复所探测光量子波包时间位置的难度也随之提升,从而影响着量子信号的同步结果。为保证较好的同步效果,利用高精度时间测量和多普勒修正技术,在卫星端发射频率为625 MHz的条件下,实现了一种基于FPGA的星地量子信号同步方案,使接收端探测的时间精度达到52.4 ps,筛选码误码率为1.78%。该方案能够恢复出所探测光量子波包的时间位置信息,可用于量子信号传输过程的同步。

摘要： 当今量子算法的一个发展方向是对早期量子算法的再思考。在量子计算领域,每一种早期量子算法都提出了突破性概念。一般认为它们在很大程度上仅属理论范畴,原因它们所求解的问题几乎都没有实用价值。但这些早期量子算法依然重要,因为它们在解决问题的速度上相比经典算法呈指数级别的增长。文中做了两件工作:一方面详细阐述对早期量子算法再思考的最新进展,另一方面则对早期量子算法进行所谓的重新目的化,即重新用于量子密钥分发、纠错等领域。Deutsch-Jozsa算法、Bernstein-Vazirani算法和Simon算法是关注的重点。Deutsch-Jozsa算法用于判定多引数函数(Multi-argument Function)是平衡的还是常数的。最近的研究表明,其应用可以扩展到量子通信和形式语言(Formal Languages)领域。Bernstein-Vazirani算法能够搜索出在函数中编码的字符串,其应用可以扩展至量子密钥分发领域和通信中对信息的纠错处理。Simon算法则用于求解具有特定属性字符串的识别问题,它的现代应用包括量子通信和纠错。

摘要： 在传统的双场量子密钥分发(TF-QKD)协议中,需要相干光源所添加的随机相位是连续的。然而在现实条件中,这样的假设经常无法满足,由此会降低协议的实际安全性。针对此问题提出了一种在测试模式和编码模式下具有随机相位离散化特征的TF-QKD协议,并使用了离散随机相位情况下的诱骗态方法进行分析。仿真结果表明,只需要少量的离散相位,随机相位离散化TF-QKD协议的密钥速率也可以超过密钥速率容量界,从而为TF-QKD协议的实际应用提供参考。

摘要： 量子信息技术因其卓越的特性而受到高度重视,被认为是未来信息技术发展的必然趋势,而具备量子物理背景的专业人才培养就显得极为重要.但是,由于量子信息技术具有抽象性、交叉性、前沿性和复杂性等特点,针对本科生开展相关实验教学具有一定挑战.中山大学从2018年开始在该方面进行了初步探索,针对高年级本科生开设了量子密钥分发等实验课程.本文基于笔者的教学工作,对量子密钥分发实验课程进行了介绍,探讨了其中的难点以及解决方案,希望通过本文探讨,能够对量子信息技术的教学工作有一定帮助.

摘要： 中国科学技术大学郭光灿院士团队韩正甫教授及其合作者近期实现了833公里光纤量子密钥分发,将安全传输距离世界纪录提升了200余公里,向实现千公里陆基量子保密通信迈出重要一步。该成果1月17日在线发表于《自然·光子学》。量子密钥分发基于量子物理的基本原理,在信息安全层面上提供了窃听可感知的密钥分发手段。光量子是量子信息的天然载体,但线路中不可避免的损耗限制了量子密钥分发的安全距离,也是制约广域量子保密通信网络部署和应用的关键因素之一。因此,如何延长光量子密钥分发直接传输的安全距离,成为当前极具挑战的难点和焦点之一。

摘要： 本文结合科研理论与工程实践经验，深入论述了量子密钥分发技术的原理，以及基于此原理构建的QKD网络架构，并在此基础上，结合目前国内外已经交付的量子保密通信案例，分别介绍了全光组网结构、密钥中继组网结构和混合组网结构3种量子密钥分发典型组网方案。

摘要： 提出了一个使用现有技术攻击实际连续变量量子密钥分发系统的方案,称之为零差探测器致盲攻击.这种攻击方法利用了零差探测器的一般性漏洞:攻击者可以通过在信号输入口发送强光脉冲造成探测器电子器件饱和.虽然在之前的工作已经提出通过探测器饱和来攻击连续变量量子密钥分发系统,但是在本文中研究的攻击方案具有额外的优点,攻击光源不需要与零差探测器锁相并且攻击方案简易可行.研究表明,在某些条件下,攻击者可以使用与零差探测器不相干的简单激光器来产生强脉冲来干扰零差探测器的结果,从而操控过噪声的估测,导致连续变量量子密钥分发系统的实际安全性被完全破坏.该攻击完全可以使用现有的技术来实现,结果表明了强光致盲攻击同样可以对连续变量系统安全造成破坏.最后,讨论了如何防御这种类型的攻击.

摘要： 量子密钥分发(QKD)系统信源安全问题足近几年开始成为研究重点。标准QKD安全性分析中假设有单光子光源或固定光子数分布(如泊松分布)的光源。而现实QKD系统中的光源特性往往与理论假设有出入,例如器件带来的光强波动导致输出光子数不服从参数同定的泊松分布。特别在目前已实用化的即插即用(Plug ＆ Play)QKD系统中，光源非可信,易遭到特洛伊木马(Trojan-horse)攻击。而解决途径是实现信源监控器这个关键器件。本文从实验和理论上分析了实现QKD信源监控的被动式方案。此方案中，研究了监控时器件噪声和统计涨落等实际因素对QKD性能影响，为信源监控器的实用化提供了强有力的依据。本文的主要结论是：1)实际QKD系统中光源存在强度波动、统计性不确定、非可信等安全漏洞;2)采用主动式监控和被动式监控可解决以上信源漏洞;3)考虑监控噪声、统计波动等因素后,被动式监控是目前为止唯一有效可行实现信源监控的方案。

摘要： 采用法拉第-麦克尔逊干涉仪检测的方法实现了基于强度调制的弱相干光脉冲的差分相位编码系统。系统采用了小数分频和锁相环技术实现了高精度任意时钟发生器为系统提供时钟，减小了驱动时钟时间抖动带来的误码率;采用单光子计数水平下高精度实时测量行波相位调制器半波电压的新方法减小了由于不准确加载相位电压引起的误码率，采用单光子计数水平下的法拉第-麦克尔逊干涉仪可以自动补偿单光子脉冲干涉的偏振匹配问题，提高了系统的干涉对比度，实验结果实现了误码率为3．9%的量子密钥分发。

摘要： 基于相位编码的量子密钥分发系统需要对信息加载的相位调制器的半波电压进行精确的测定以减小量子密钥的误码率，相位调制器半波电压的测量精度直接影响到了量子密钥分发系统的最终误码。本文提出了一种基于确定性量子密钥分发误码率判据的相位调制器半波电压的精确测定方法，我们所采用相位调制器的半波电压的测量精度达到了2mv，实验结果表明采用这种方法可以用到量子密钥分发实际应用系统中实时获得不同条件下的行波相位调制器的半波电压以最大程度地减小由于相位信息不准确加载而带来的系统误码。

摘要： 量子密钥分发(QKD)是量子信息领域内研究的热点之一，也是量子信息领域内最接近实用的一个方向。在连续变量量子密钥分发领域(CVQKD)根据对信息载体的调制方式不同，分为高斯调制方案和分离调制方案。相比高斯调制方案，分离调制方案具有通信距离长的优势。国内外相关小组己对该方案进行了初步的研究。小组也开展了基于全光纤分离调制CVQKD的实验研究，并实现了裸码的获取。到此Alice和Bob将各自拥有一组裸码，其后展开的反向调和与私密放大将在这两组数据之间进行。建立了全光纤分离调制连续变量量子密钥分发实验系统，并在该系统上实现了速率为500k/s的裸码发送与接收。目前正在进行后续反向调和与私密放大的工作，为实现长距离的量子密钥分发做准备工作。

摘要： 量子密钥分发(QKD)在理论上具有无条件安全性,但由于实际系统设备的不完美性,QKD的实际安全性还存在不完善之处.测量设备无关(measurement-device-independent,MDI)协议的提出弥补了QKD在探测端存在的漏洞,进一步提升了QKD的实际安全性.但对于一个实际MDI-QKD系统而言,存在非可信光源问题,使得MDI协议在实际安全性方面仍然存在漏洞.本文提出了一种MDI-QKD系统光源安全漏洞解决方案——光源监控,给出了安全性证明及安全码率公式.然而,光源监控将导致MDI协议性能的下降.本文发现,通过参数优化可以提升协议的安全码率,从而一定程度上弥补由非可信光源条件引起的性能下降.

摘要： 研究了有限码长效应对联合攻击下的连续变量测量设备无关量子密钥分发(CV-MDI QKD)协议的影响,主要考虑参数估计过程的有限码长效应.主要利用中心极限定理和最大似然估计定理来进行参数估计.还分析了协议中通信双方交换信号数与最优调制方差的关系,证明了当Charlie的位置靠近Bob时,有限码长效应的CV-MDI QKD协议在非对称结构下有最远的传输距离.最后,讨论了在CV-MDI QKD协议中有限码长效应对实际探测器的影响.总体结果表明,有限码长效应对CV-MDI QKD协议的安全密钥率有很大的影响且是不可忽视的.

摘要： 提高脉冲调制速度,可以有效地提高量子密钥分发的成码速率.采用循环驱动的方法,可以在时钟频率200MHz的条件下,在FPGA中实现200MHz的脉冲调制速度.实验结果显示,采用该方案进行量子LD调制,输出量子信号的抖动小于2ns,满足了量子密钥分发的要求.

摘要： 在量子通信的密钥分发过程中，需要对两个波长(810和850nm)的线偏光束进行光路分离，同时要保持分离后线偏光的偏振方向和消光比。为此设计了810nm透射-850nm反射、入射角为45度的分色片，在倾斜入射条件下，为了抑制工作波长处S、P偏振分量的能量、相位分离，选择了合适的基础膜系，利用其过渡带的消偏振性能，并通过软件进行目标值包含相位性能的全局优化，进一步降低偏振影响，实现设计目标。分别选用TiO2和SiO2为高低折射率膜层材料，以离子束辅助沉积技术生长薄膜，光学极值法和晶体振荡法结合的方式控制膜层厚度。制备的样品在波长810nm处的消光比达到7000:1以上，在850nm处达到20000:1以上,实现了光学薄膜对相位的控制，满足了密钥分发过程的需要。

摘要： 一种偏振复用量子密钥分发装置，包括第一激光器LD1、第二激光器LD2、第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2、第一可调衰减器VOA1、第二可调衰减器VOA2、偏振光路选择模块、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第一偏振分束器PBS1、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4以及双向相位调制模块，本发明还公开了一种全时全通量子密钥分发网络。与现有技术相比，本发明可将量子密钥分发系统的安全成码率提高至4倍；而且装置无需区分发送端和接收端，降低了设计和制作难度；两路光信号共用一个干涉仪，同时双向的信号采用双向相位调制模块进行分别调制，无需复杂的时序控制，降低了系统的复杂度，便于进行相位补偿。

摘要： 本公开提供了一种量子密钥分发方法和量子密钥分发系统，包括：接收量子密钥分发服务管理功能实体发送的量子密钥分发信息；接收量子密钥节点发送的量子密钥，并根据公钥和加密算法对量子密钥进行加密；接收终端发送的量子密钥获取请求,并向该终端发送加密后的量子密钥。本公开的技术方案可实现在保证量子密钥分发网络独立性的同时，充分利用现有通信网络的网络资源，在现有通信网络核心网架构的基础上进行服务功能扩展，提升量子密钥发放的灵活性。

摘要： 本发明公开了一种用于量子密钥分发的偏振编码装置，包括激光器LD，光路选择器，2X2偏振编码装置以及合束器BC，其中2X2偏振编码装置有2个输入端口和2个输出端口，本发明还提供了一种量子密钥分发系统。与现有技术相比，本发明的一种偏振编码装置，采用2X2偏振编码模块，只需要一个相位调制器，且调制相位0或π，即可制备出4种BB84偏振态。不仅可以解决多激光器波长不一致的问题，还降低了对相位调制器驱动电路的要求。既保证了量子态制备的安全性，又降低了编码装置的复杂度。

摘要： 本公开实施例提供了一种量子密钥分发方法以及量子密钥分发系统。该方法包括：获取量子密钥分发请求，量子密钥分发请求包括第一标识、与第一标识对应的第一编码信号、第二标识和与第二标识对应的第二编码信号；响应于量子密钥分发请求，在确定第一标识和第二标识为同一城域标识的情况下，建立与第一标识对应的用户端和与第二标识对应的用户端之间的量子密钥分发通道；以及在确定第一标识和第二标识不为同一城域标识的情况下，向第二中继端发送量子密钥分发请求，以使得第二中继端响应于量子密钥分发请求，建立与第一标识对应的用户端和与第二标识对应的用户端之间的量子密钥分发通道。

摘要： 一种量子密钥分发的偏振编码装置，包括第一环形器和双向偏振调制模块，所述偏振编码装置内部均为保偏光纤；所述第一环形器的第一端口作为偏振编码装置的输入端口In；所述第一环形器的第二端口与双向偏振调制模块的第一端口通过45°偏振旋转器相连；所述双向偏振调制模块的第二端口通过保偏光纤L2与第一环形器第三端口相连。与现有技术相比，本发明可以稳定制备6种偏振态，无需多激光器，消除了多激光器波长不一致导致的安全性漏洞，制备偏振态非常稳定，无需任何补偿，接收端只需2个单光子探测器，降低了系统的复杂度和成本。另外，本发明的偏振编码装置可用于实现BB84协议、6态协议和参考系无关协议。

摘要： 本发明公开了一种用于量子密钥分发的相位编码装置，包括第一激光器L1、第二激光器L2、不等臂偏振干涉仪、第一光路选择元件OS1、第二光路选择元件OS2以及四分之一波片QWP。第一光路选择元件OS1和第二光路选择元件OS2构成等臂马赫曾德尔干涉仪，四分之一波片QWP位于等臂马赫曾德尔干涉仪的其中一臂上，本发明还提供了一种量子密钥分发系统。与现有技术相比，本发明的一种相位编码装置，无需相位调制器，即可制备出4种BB84协议要求的相位编码态，并且两个时间模式的偏振相互垂直，易于通过偏振选择来消除非干涉分量，提高能量利用率。不仅可以降低编码装置的成本和复杂度，还能够提高量子密钥分发系统的安全成码率。

摘要： 本发明公开了一种量子密钥分发组网系统及量子密钥分发方法，该系统包括：第一量子态制备发送端、第二量子态制备发送端和测量端，量子态制备均包括：光源、强度调制器、相位编码器和可调衰减器；相位编码器用于将每个光脉冲按照目标相位编码模式进行调制，以使得每个光脉冲分为具有目标延时的两个脉冲，并调制两个脉冲的相位差；测量端中的相位解码器用于对两个脉冲的相位差进行调制；偏振控制器在执行第一目标协议模式时调制第一光纤信道输入的光量子的偏振态。通过相位解码器调制两脉冲之间的相位差，消除了MDI协议与BB84协议在编码和探测方面的差异，实现了MDI协议与BB84协议在同一套系统中的兼容性，提升了量子密钥分发网络的实用性。

摘要： 一种量子密钥分发装置，其包括：编码单元，用于对光脉冲串进行编码；强度调制单元，用于按不同的定时对编码后的光脉冲串进行强度相互不同的N个类型的强度调制，其中N是不小于3的整数；以及第一密钥蒸馏处理单元，用于基于通过从所述编码单元和所述强度调制单元所使用的数据序列中去除如下数据而获得的数据序列来生成加密密钥，该数据是从具有特定调制图案的光脉冲获得的。

摘要： 一种偏振复用量子密钥分发装置，包括第一激光器LD1、第二激光器LD2、第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2、第一可调衰减器VOA1、第二可调衰减器VOA2、偏振光路选择模块、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第一偏振分束器PBS1、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4以及双向相位调制模块，本发明还公开了一种全时全通量子密钥分发网络。与现有技术相比，本发明可将量子密钥分发系统的安全成码率提高至4倍；而且装置无需区分发送端和接收端，降低了设计和制作难度；两路光信号共用一个干涉仪，同时双向的信号采用双向相位调制模块进行分别调制，无需复杂的时序控制，降低了系统的复杂度，便于进行相位补偿。

摘要： 一种量子密钥分发的偏振编码装置，包括第一环形器和双向偏振调制模块，所述偏振编码装置内部均为保偏光纤；所述第一环形器的第一端口作为偏振编码装置的输入端口In；所述第一环形器的第二端口与双向偏振调制模块的第一端口通过45°偏振旋转器相连；所述双向偏振调制模块的第二端口通过保偏光纤L2与第一环形器第三端口相连。与现有技术相比，本发明可以稳定制备6种偏振态，无需多激光器，消除了多激光器波长不一致导致的安全性漏洞，制备偏振态非常稳定，无需任何补偿，接收端只需2个单光子探测器，降低了系统的复杂度和成本。另外，本发明的偏振编码装置可用于实现BB84协议、6态协议和参考系无关协议。