连续变量量子密钥分发在实际通信环境中的传输研究

论文摘要

量子密钥分发能够保证两个身处异地的合法通信者通过未知的信道生成安全密钥。其中,基于高斯调制相干态的连续变量量子密钥分发系统使用商用光纤通信器件实现,在可靠性和成本方面优势突出,还具有与经典光通信网络良好的兼容性,是近年来量子信息领域内的研究热点。当前,基于高斯调制相干态的连续变量量子密钥分发协议已经从理论上被证明无条件安全,实验系统也得到了广泛研究,不断向实际应用发展。连续变量量子密钥分发中的GG02协议使用易于制备的相干态作为光源,一经问世就受到广泛研究。从GG02协议提出至今,已经实现了实验室和实际商用系统中的连续变量量子密钥分发。在实验室环境中,一般不考虑长期稳定性、实际安全性以及信道传输过程中引入的噪声,因而实验室系统难以直接部署于商用光纤通信网络中。在实际通信环境中工作时,不仅需要系统能够对偏振漂移、相位噪声等变化因素进行实时补偿来保持系统性能长期稳定,还需要考虑由于现有器件、技术缺陷引入的实际安全性问题。更进一步,在今后的大规模应用中量子信号需要与经典信号在同一光纤中以波分复用的方式共同传输,因而必须考虑与经典信号在信道传输过程中引入的噪声。因此,现有的实验系统仍然存在实际安全性隐患,很难兼顾实际应用中安全密钥率、传输距离以及稳定性的要求,难以在实际通信环境中开展实际应用。本文针对连续变量量子密钥分发系统在实际通信环境中传输时遇到的问题展开研究,内容包括:1.分析并指出了连续变量量子密钥分发系统在波分复用网络中的经典光信号产生的主要噪声。根据实际通信环境中系统以及信道参数,通过理论计算和实验对比了自发拉曼散射和四波混频效应产生的过量噪声。结果表明,四波混频效会引入巨大过量噪声,导致系统无法生成安全密钥,需要在实际通信环境中尽量避免。进一步地,提出了实际通信环境中源于经典信号串扰产生的本振光功率波动,通过仿真和实验给出本振光波动的范围,并且计算了本振光波动存在时的安全密钥率。根据研究结果,提出了几种在经典光通信网络中部署连续变量系统时可以降低信道串扰的方法。2.指出了一种在实际通信环境中连续变量系统中的安全性问题,并给出了相应的防御措施。在实际通信环境中,量子信号在光纤中传输时偏振态会发生漂移,在探测端需要对偏振漂移进行补偿。为了提升系统运行效率,偏振补偿只对有限的脉冲进行测量,这就导致了窃听者有机会控制系统的散粒噪声方差。理论和实验都证实了窃听者能够通过对本振光偏振态进行方位角调制控制实际散粒噪声方差。窃听者使用偏振攻击可以使Alice和Bob高估安全密钥率,从而Alice和Bob生成的密钥不再安全。根据对攻击性能的分析,提出了在实际通信环境中保证系统安全性的方案。3.提出了一种适用于实际通信环境的参考信号制备方法,能够降低相位噪声估计误差同时提升系统频谱效率,从而提升系统的安全密钥率。稳定运行的连续变量量子密钥分发系统需要对相位噪声进行补偿,相位噪声补偿的精度受到参考信号形式、数目、信噪比的影响。提升参考信号数目可以减少系统中的残余相位噪声但是会降低频谱效率,从而导致最终安全密钥率的下降。通过我们给出的方法,可以实现对系统中残余相位噪声进行理论评估,并根据评估结果设计最适合当前系统、传输环境的参考信号。设计并实施实验证明了通过优化参考信号可以提升系统的安全密钥率。4.设计并构建了能够支持实际通信环境的连续变量量子密钥分发系统。结合实际工作环境以及上述研究成果,设计并研发多种自动控制模块并集成进系统中,使系统能够更加稳定高效地运行。基于这套系统开展了实际通信环境中的现场测量,分别在西安,广州不同的商用光纤网络中对系统进行了性能和稳定性测试。在50km(11dB)的商用光纤信道中实现了7.43kbps的高速密钥分发高于现有研究成果50倍以上,并且系统能够支持全天候连续稳定工作,进一步推动了连续变量量子密钥分发在实际通信环境中的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 量子密钥分发研究背景
•     1.1.1 信息安全中的量子蹊径
•     1.1.2 量子密钥分发
•   1.2 连续变量量子密钥分发实验研究现状
•     1.2.1 实验室中的系统研究进展
•     1.2.2 实际通信环境中的系统研究进展
•   1.3 论文结构安排
•   参考文献
• 第二章 连续变量量子密钥分发系统基础知识
•   2.1 连续变量量子密钥分发协议
•     2.1.1 光场量子化与正则分量
•     2.1.2 高斯态与高斯操作
•   2.2 连续变量量子密钥分发
•     2.2.1 连续变量量子密钥分发协议介绍
•     2.2.2 连续变量量子密钥分发实验系统
•   2.3 连续变量量子密钥分发系统的关键技术
•     2.3.1 量子态制备
•     2.3.2 量子态传输
•     2.3.3 量子态探测
•   2.4 本章小结
•   参考文献
• 第三章 实际通信环境中与经典光通信的同传研究
•   3.1 波分复用结构中过量噪声的主要来源
•     3.1.1 经典信号引入的串扰分析
•     3.1.2 四波混频引入的过量噪声分析
•     3.1.3 四波混频引入的过量噪声仿真与实验测定
•   3.2 源于非线性效应的本振光功率波动
•     3.2.1 受激拉曼散射
•     3.2.2 四波混频
•     3.2.3 本振光功率波动与系统性能的关系
•     3.2.4 本振光波动仿真与实验结果
•   3.3 本章小结
•   参考文献
• 第四章 实际通信环境中的偏振攻击
•   4.1 通过偏振攻击控制实际散粒噪声方差
•     4.1.1 有限速率的偏振漂移补偿
•     4.1.2 偏振态调制与散粒噪声方差
•   4.2 偏振攻击下的实际安全性
•   4.3 偏振攻击安全密钥率仿真
•   4.4 本章小结
•   参考文献
• 第五章 实际通信环境中的相位噪声补偿
•   5.1 相位噪声估计误差
•   5.2 残余相位噪声数值仿真
•   5.3 提升相位噪声估计的精度
•   5.4 本章小结
•   参考文献
• 第六章 连续变量量子密钥分发系统在实际通信环境中的现场测试
•   6.1 实验流程
•   6.2 自动控制模块
•   6.3 实验结果
•   6.4 本章小结
•   参考文献
• 第七章 展望与总结
• 致谢
• 攻读博士期间发表的学术论文和专利

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵一甲

导师: 喻松

关键词: 连续变量量子密钥分发,实际通信环境,实际安全性,相位噪声,现场测试

来源: 北京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 北京邮电大学

分类号: TN918.4;O413

总页数: 121

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