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针对传统量子密钥分配协议使用非理想单光子源会带来密钥生成率过低的问题, 对光源进行优化, 以奇相干光源代替传统弱相干光源, 提出了基于奇相干光源非对称信道的测量设备无关量子密钥分配协议。在奇相干光源下, 对比了对称信道和非对称信道测量设备无关量子密钥分配协议的性能优劣。分析了该协议中密钥生成率、单边效率与信道损耗之间的关系。仿真结果表明, 奇相干光源的引入弥补了传统光源的不足, 多光子数大大减少。随着信道损耗的增加, 密钥生成率降低, 但非对称信道的性能仍高于对称信道的。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
ACTAOPTICASINICA
June
基于奇相干光源非对称信道的量子密钥分配协议
康 丹 娜
,
何 业 锋
西安邮电大学通信与信息工程学院
陕西 西安
摘要
针对传统量子密钥分配协议使用非理想单光子 源会 带 来密 钥生 成 率过 低的 问 题
对 光源 进行 优 化
以 奇相
干光源代替传统弱相干光源
提出了基于奇相干光源非对称信道的测量设备无关 量子 密钥分 配协 议
在奇 相干 光
源下
对比了对称信道和非对称信道测量设备无关 量子 密钥 分 配协 议的 性 能优 劣
分 析了 该协 议 中密 钥生 成 率
单边效率与信道损耗之间的关系
仿真结果表明
奇相干光源的引入弥补了传统 光源 的不足
多光 子数 大大减 少
随着信道损耗的增加
密钥生成率降低
但非对称信道的性能仍高于对称信道的
关键词
量子光学
奇相干光源
量子密钥分配
测量设备无关
中图分类号
文献标识码
doi
.
AOS.
Q
uantum Ke
y
DistributionProtocolsBasedonAs
y
mmetric
ChannelsofOddCoherentSources
Schoolo
f
CommunicationandIn
f
ormationEn
g
ineerin
g
Xi
anUniversit
y
o
f
PostsandTelecommunications
Xi
an Shaanxi
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes敭 敭 敭 敭
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国家自然科学基金
作者简介
康丹娜
女
硕士研究生
主要从事量子密钥分配方面的研究
导师简介
何业锋
女
博士
副教授
主要从事网络安全和量子密码方面的研究
引
言
随着计算能力的飞速发展
传统密码学面临巨大的挑战
而量子密码学具有无条 件安全性
近年来成为
研究热点
针对量子力学的多个原理
学者们分别从纠缠 制备
量子计算
量子态分配
量子隐形传
态
等方 面 进行了不 同 研究
年
等
提出了第 一 个量子密 钥 分配
协议
即
协
议
能实现无条件安全
随后
大量量 子密钥协议 被提出
然而
量子密码协 议只是 理 论上的无 条 件
安全
在协议实现中
所使用设备的各种不完美特性导致系统存在安全漏洞
例如
对于非理想光源可利用相
位部分随机化攻击
光 子 数 分 流 攻 击
对 于 非 理 想 探 测 器 可 利 用 时 移 攻 击
致 盲 攻 击
伪 态 攻
击
等
为 了 克 服 实 际 中 存 在 的 诸 多 问 题
年
等
提 出 了 测 量 备 无 关 的 量 子 密 钥 分 配
光
学
学
报
协议
该方案利用时间反演的纠缠分发协议
将探测器放在不可信第三方
可移除量子密钥分配
系统中所有探测器的侧信道攻击
在这之后
不断有学者对其进行优化设计
唐延林通过 使用高效的 单光
子探测器与较稳定的系统得到了超过
的安全传输距离
并在实验中得到真空态和诱惑态结合方 案
下的密钥生成率与损耗的关系
孙颖对基于量子存储的量子密钥分配协议进行分析
得到了密钥生成率
信
道传输效率与安全传输距离等参数之间的关系
孙世海利用一个信号态与两个诱惑态构造测量设备无关的
量子密钥分配协议
且得出了误码率的上限以及密钥生成率的下限
刘杨研究了基于偏 振编码的测 量设备
无关量子密钥分配协议
得出了每个脉冲中平均光子数为定值时的误码率
这些 协议大部分 要求光源为 单
光子源
但实际设备难以实现
杜亚男利用弱相干态
光源代替
较好地模拟了单光子光源的性质
但
存在的问题是窃听者会利用其中的多 光子来拷贝 信息以窃取密 钥
同时
以往的研 究 中假设
和
到第三方的距离相同
但实际的单边效率往往是不同的
本文针对现实中常使用的非对称信道的情况
提出奇相干光源
非对称信道 的测量设备 无关量子
密钥分配协议
通过分析密钥生成率与信道损耗的关系
研究了不同信道下信道损耗对 密钥生成率 的影响
对比了奇相干光源和弱相干光源的单光子分布情况
理论与模型
21
测量设备无关量子密钥分配系统模型
测量设备无关量子密钥分配系统模型
如图
所示
图
测量设备无关量子密钥分配系统结构图
和
分别发送相干光脉冲经过偏振调制器
选择
z
基或
x
基进行偏振编码
经强度调制器调制
为三强度态
μ
i
ν
j
μ
i
i
=
ν
j
j
=
{
式中
分别对应真空态
诱惑态和信号 态
在第三方进 行贝尔态测 量
主要的测 量 仪器由一 个
分束器
两个偏振分束器
和
个探测器构成
和
根据公布的的结果进行基对比
可以
得出安全密钥生成率
R
的公式
R
μ
ν
μ
-
ν
Y
z
-
H
e
x
-
Q
z
μ
ν
f
H
E
z
μ
ν
式中
和
发送的相干光源服从泊松分布
H
x
为二进制香农熵函数
f
为纠错过程的低效率函数
Q
为增 益
E
为误码率
Y
z
为单光子 计 数率的下 界
e
x
为单光子 误 码率的上 界
当
的脉冲强 度 为
μ
i
的脉冲强度为
ν
j
时
定义增益
Q
μ
i
ν
j
与误码率
E
μ
i
ν
j
Q
w
μ
i
ν
j
=
¥
n
m
=
μ
n
i
ν
m
j
n
m
-
μ
i
-
ν
j
Y
w
nm
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