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物理学报 2025年第9期74卷 67-75页

作者：孙新郭俊杰陈宇杰程锦刘奥刘文博尹鹏陈兰剑吴田宜东晨国防科技大学信息通信学院武汉430030

在光纤信道中,连续变量量子密钥分发(continuous-variable quantum key distribution,CV-QKD)协议已经展现出获得更高安全码率的能力,但是CV-QKD协议可容忍的信道衰减相对较低,空间衍射、大气折射、信号衰减和湍流等实际因素都会影响空... 详细信息

在光纤信道中,连续变量量子密钥分发(continuous-variable quantum key distribution,CV-QKD)协议已经展现出获得更高安全码率的能力,但是CV-QKD协议可容忍的信道衰减相对较低,空间衍射、大气折射、信号衰减和湍流等实际因素都会影响空间信道中CV-QKD协议的可行性.本文研究了实际空间信道环境下离散调制CV-QKD协议的可行性,分析了空间衍射和大气衰减、湍流信道退化模型对于空间信道离散调制CV-QKD协议的影响,讨论了卫星轨道高度、天顶角、接收器孔径、束腰尺寸和过量噪声等实际参数对空间离散调制CV-QKD的密钥生成率影响,搭建了星地动态运动场景仿真分析了实际环境下空间信道离散调制CV-QKD协议的可行性,仿真结果可为空间信道离散调制CV-QKD实验的设计和优化提供参考.

关键词：空间信道连续变量量子密钥分发星地下行链路离散调制

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一维高斯调制连续变量量子密钥分发现实源强度误差的影响

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物理学报 2025年第9期74卷 56-66页

作者：王普白增亮常利伟山西财经大学信息学院太原030006

本文深入地研究了一维高斯调制连续变量量子密钥分发系统在源强度误差下的现实安全性和性能表现.详细地分析了源强度误差对协议参数估计过程的影响机制,并基于发送端的三种现实假设,提出相应数据优化方案,以减轻源强度误差的负面影响.同... 详细信息

本文深入地研究了一维高斯调制连续变量量子密钥分发系统在源强度误差下的现实安全性和性能表现.详细地分析了源强度误差对协议参数估计过程的影响机制,并基于发送端的三种现实假设,提出相应数据优化方案,以减轻源强度误差的负面影响.同时,综合考虑了源强度误差及有限码长效应,以保障系统的现实安全性.研究结果表明,源强度误差不可忽视,对于显著的强度波动,系统的最大传输距离将减少约20 km.因此,在协议的实际实施过程中,必须充分考虑源强度误差的影响,并采取相应的措施来减少或消除这些误差.本研究为现实条件下实施一维高斯调制连续变量量子密钥分发提供了理论依据,为构建高效、低成本、小型化的量子通信网络探索了新方向.

关键词：连续变量量子密钥分发一维调制源误差现实安全性

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星地连续变量量子密钥分发有限密钥优化研究

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中国激光 2025年第6期 330-339页

作者：陈宇杰程锦孙新郭俊杰刘奥尹鹏陈兰剑东晨国防科技大学信息通信学院

连续变量量子密钥分发（CV-QKD）协议在光纤信道中已经展现出可获得更高安全码率的能力。但是，CV-QKD协议可容忍的信道衰减相对较低，大气衰减、衍射、湍流等实际因素都会影响空间信道CV-QKD协议的可行性。低轨卫星与地面站接入时间相... 详细信息

连续变量量子密钥分发（CV-QKD）协议在光纤信道中已经展现出可获得更高安全码率的能力。但是，CV-QKD协议可容忍的信道衰减相对较低，大气衰减、衍射、湍流等实际因素都会影响空间信道CV-QKD协议的可行性。低轨卫星与地面站接入时间相对较短，放大了有限密钥长效应对协议参数估计的影响。本研究分析了星地下行退化信道下的高斯调制CV-QKD协议，探讨了制备方差和协商效率对系统密钥生成的影响，结果显示，对于空间CV-QKD，无论协商效率是否完美，制备方差对密钥生成率的影响都不是单调的，存在一个最优值。本研究还探索了有限密钥长效应下用于参数估计的符号数量和符号传输率对密钥生成的影响（两者会显著影响系统的密钥生成），并针对不同的符号传输率，对用于参数估计的符号数量进行了优化。仿真结果可为空间信道高斯调制CV-QKD实验的设计和优化提供参考。

关键词：量子通信连续变量量子密钥分发星地下行链路制备方差有限密钥长效应

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连续变量量子密钥分发系统中动态偏振控制研究

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物理学报 2024年第6期73卷 119-127页

作者：张光伟白建东颉琦靳晶晶张永梅刘文元中北大学半导体与物理学院物理系太原030051

连续变量量子密钥分发系统中,本地光场和信号光场采用时分复用,偏振复用方式通过长距离单模光纤传输.外界复杂环境会使单模光纤产生双折射效应,导致本地光场和信号光场的偏振态漂移,严重影响接收端平衡零拍探测结果.因此,高效动态偏振... 详细信息

连续变量量子密钥分发系统中,本地光场和信号光场采用时分复用,偏振复用方式通过长距离单模光纤传输.外界复杂环境会使单模光纤产生双折射效应,导致本地光场和信号光场的偏振态漂移,严重影响接收端平衡零拍探测结果.因此,高效动态偏振控制单元是推动系统外场实用化进程的关键技术.本文理论上证明了系统接收端仅考虑任意偏振消光比输出时,偏振控制单元只需两个控制自由度即可.在此基础上将贝叶斯参数估计方法有效融入混沌-猴群算法,同时在现场可编程逻辑门阵列硬件上实现控制算法,结合积分型光场探测器建立动态偏振控制单元,仿真和实验结果表明单次偏振控制静态消光比达到30 dB以上的平均周期为400μs.为了应对偏振态连续变化情况,将动态偏振控制单元集成到连续变量量子密钥分发系统,实验测试了偏振态扰动速率在0—2 krad/s范围内系统仍然能够正常运转.

关键词：连续变量量子密钥分发贝叶斯参数估计方法猴群算法动态偏振控制器

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连续变量量子密钥分发多维数据协调算法优化

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光学学报 2016年第9期36卷 273-281页

作者：窦磊郭大波王晓凯山西大学物理电子工程学院山西太原030006

针对连续变量量子密钥分发(CVQKD)通信距离较短的问题,在多维数据协调方案的基础上,利用连续密度进化和差分进化方法,设计出优质度数分布的低密度奇偶校验(LDPC)码,并提出LDPC码码字重复方法,进一步提高多维数据协调的效率,有效地降低... 详细信息

针对连续变量量子密钥分发(CVQKD)通信距离较短的问题,在多维数据协调方案的基础上,利用连续密度进化和差分进化方法,设计出优质度数分布的低密度奇偶校验(LDPC)码,并提出LDPC码码字重复方法,进一步提高多维数据协调的效率,有效地降低了收敛信噪比,延长了信息传输距离。实验仿真结果表明:在分组码长为106时,收敛信噪比能够降低至-6dB以下,协调效率可达90.27%,提取到的安全密钥量为0.22kb/s,信息传输距离超过80km,该方法可有效延长CVQKD系统的通信距离。

关键词：量子光学连续变量量子密钥分发多维数据协调算法连续密度进化差分进化重复码字

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连续变量量子密钥分发数据协调加速运算的GPU实现

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通信学报 2017年第11期38卷 171-177页

作者：刘绍婷王晓凯郭大波山西大学物理电子工程学院山西太原030006

针对当前连续变量量子密钥分发系统数据协调运算速度低等问题,用GPU实现了基于LDPC的SEC协议下数据协调算法的并行化加速运算,提出用静态双向十字链表的方法高效存储大规模稀疏校验矩阵,从而保证在不牺牲协调效率的前提下提高了译码速... 详细信息

针对当前连续变量量子密钥分发系统数据协调运算速度低等问题,用GPU实现了基于LDPC的SEC协议下数据协调算法的并行化加速运算,提出用静态双向十字链表的方法高效存储大规模稀疏校验矩阵,从而保证在不牺牲协调效率的前提下提高了译码速率。仿真实验结果表明,在信道信噪比为4.9 d B以上、2×105个连续变量序列可靠协调以及协调效率为91.71%的情况下,基于Geforce GT 650 MB的GPU和2.5 GHz、8 GB内存的CPU硬件平台,译码速率可达16.4 kbit/s,相对于仅CPU平台,计算速度提高15倍以上。

关键词：连续变量量子密钥分发数据协调低密度奇偶码静态链表 GPU译码

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连续变量量子密钥分发协议的安全性分析与性能改善

连续变量量子密钥分发协议的安全性分析与性能改善

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作者：王普山西大学

学位级别：博士

现如今,信息安全扮演着非常重要的角色,关系到国家安全、社会稳定和个人隐私等各个方面。量子计算机的日益发展,使得目前基于计算复杂度的经典加密系统面临严峻挑战。量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)依靠量子物理的基本原理... 详细信息

现如今,信息安全扮演着非常重要的角色,关系到国家安全、社会稳定和个人隐私等各个方面。量子计算机的日益发展,使得目前基于计算复杂度的经典加密系统面临严峻挑战。量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)依靠量子物理的基本原理,在通信双方之间分发密钥,保证信息的安全。它的安全性不依赖于数学问题的复杂性,也不受计算能力的限制,原则上可以实现无条件安全的通信。连续变量量子密钥分发(continuous-variable QKD,CV-QKD)将密钥信息编码在光场的正交分量,采用相干探测技术,比如零差探测或者外差探测,具有中短距离成码率高、与现有的光纤网络易兼容、实现成本低、易集成等优点,适合局域网和城域网的搭建,得到科研人员的广泛关注。本论文集中在CV-QKD的研究。尽管CV-QKD已经在理论和实验上取得了显著的进步,但对于真正广泛安全的实际应用仍面临许多关键挑战。CV-QKD的最终目标是实现高速、高安全、高稳定性、远距离、低成本的应用。连续变量测量设备无关量子密钥分发(continuous-variable measurement-device-independent QKD,CV-MDI-QKD)协议,可以克服与测量设备相关的安全漏洞,具有高安全性,但要求相对稳定的源,且当前传输距离较短、对探测器效率要求较高。一维(unidimensional,UD)CV-QKD协议仅使用一个调制器(振幅或者相位调制器)来完成信息的编码,具有成本低和消耗随机数少的优点,但安全性证明被限制在理想探测和无限码长。离散调制(discrete modulation,DM)CV-QKD具有简单的调制和后处理过程,有助于在城域范围实现高速、低成本的CV-QKD,但目前密钥率相比于高斯调制还是比较低。在这篇论文中,我们提出切实可行的解决方案去克服上述困难,推动CV-QKD的实际应用。本论文主要完成的研究工作概括如下: 源强度误差对CV-MDI-QKD安全性的影响机制及解决方案。建立了一般的源强度误差模型。对通信双方Alice和Bob的能力做出三种现实的假设,分别分析源强度误差对参数估计的影响,发现源强度误差的影响不能忽略不计。提出不同的数据处理方案保证协议在各种情况下的安全性。评估了协议在有限码长可组合安全框架下的安全性。提出的方案证实了具有源强度误差的CV-MDI-QKD的可行性,提升了协议的现实安全性,为搭建高安全的CV-QKD网络奠定了基础。提升CV-MDI-QKD的传输距离,克服CV-MDI-QKD对高探测效率要求的限制。提出了基于调制压缩态的CV-MDI-QKD协议,考虑了现实的混合压缩源,给出了源纯化方案。通过对比研究发现,即使利用适度压缩的混合压缩态也得到了比较好的性能。在对称情况下,相比于相干态和5.2 d B纯压缩态协议,含有噪声的5.2 d B调制压缩态的最远传输距离分别增加了4.2公里和3.2公里。在极限不对称条件下,最远传输距离达到了大约100公里。通过在实际的零差探测器之前增加相位敏感放大器,发现使用探测效率为0.6、电子学噪声为0.1的现实零差探测器仍然可以获得比较好的性能,克服了CV-MDI-QKD对高探测效率的要求。分析了有限码长条件下协议的密钥率。提出的方案提升了CV-MDI-QKD的性能,促进了CV-MDI-QKD的实际应用。 UD CV-QKD的现实噪声探测和有限码长情形下的安全性分析。证明了UD CV-QKD协议的制备测量方案和基于纠缠方案的等价性。理论分析计算了实际探测条件下UD CV-QKD方案的渐近安全密钥率,研究了海森堡不确定关系对探测的输入端和输出端的协方差矩阵的约束,发现了伪物理区域。将UD CV-QKD推广到有限码长情形下安全密钥率的计算,研究了用于参数估计的最佳码长分配策略,发现一维调制方案消耗更少的随机数资源。研究了一维调制协议中的噪声抵抗噪声效应,即通过在密钥信息协调方加入适量可控的随机噪声,能够提升系统的安全密钥率。提出的方案推动了UD CV-QKD的实际应用,证实了使用UD CV-QKD进行长距离安全通信的潜力。高码率DM CV-QKD的星座方案设计与安全性分析。提出单环八态和十二态调制方案,利用凸优化技术获得安全的密钥率,优化相干态幅度以获得最高的密钥率。通过对比发现,与传统的四态协议相比,八态调制可以提高约60%的密钥率,但将八态扩展到十二态协议,密钥率并没有显著的提高。提出十二态双环星座调制方案,内环四个相干态,外环八个相干态。通过优化参数,实现了比四态协议高140%的密钥率。当传输距离超过50公里时,密钥速率可以达到高斯调制协议的70%左右。通过采用合适的星座调制方案和最佳调制参数,十个左右的相干态实现了近似高斯调制协议的密钥速率。提出的方案

关键词：连续变量量子密钥分发量子密码学测量设备无关一维调制离散调制

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连续变量量子密钥分发实际安全性研究

连续变量量子密钥分发实际安全性研究

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作者：刘维琪西北大学

学位级别：博士

随着量子物理和量子信息论的兴起,凭借量子信号的特有属性,人们提出了具有无条件安全性的量子保密通信,引起了社会各界人士的密切关注。它的出现改变了仅依赖数学与逻辑变换的传统模式的加密方式,开辟了基于物理机制的密码学的新思路和... 详细信息

随着量子物理和量子信息论的兴起,凭借量子信号的特有属性,人们提出了具有无条件安全性的量子保密通信,引起了社会各界人士的密切关注。它的出现改变了仅依赖数学与逻辑变换的传统模式的加密方式,开辟了基于物理机制的密码学的新思路和新方法。量子保密通信以量子密码为基础,而目前量子密码中最成熟且成果显著地是量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD)技术。该技术可以基于连续变量量子态或者离散变量量子态来实现。理论上讲,QKD技术具有无条件安全性。然而,由于实际实验系统的器件等存在一些非完美性问题,QKD系统的无条件安全将会在一定程度上受到威胁。因此,为了使QKD系统更好的得以实际应用,研究其实际安全性有着至关重要的现实意义。本文聚焦连续变量量子密钥分发(Continuous variable quantum key distribution,CVQKD)系统,对其实际安全性问题进行研究,力求提高实际环境中系统的性能和实际安全性。本文主要完成了以下几个方面的工作内容:1.研究基于任意个体或集体攻击下CVQKD系统的实际安全监控方案。区别于之前聚焦在截取-重发和高斯攻击的实际安全性问题,实际问题Eve可以利用系统的任何不完美性且以任何攻击方式对系统进行攻击。本文首先分析实际环境中所有可以被攻击者利用的噪声,计算了攻击者成功掩盖自己攻击方式时所需本振光(Local oscillator,LO)扰动的限。该界限是保证攻击者成功掩盖她自己的攻击行为而不被合法方发现的条件,然后依据此下限,我们得到了实际CVQKD系统的最优监控条件。最后,作为例子,分别研究了特定攻击下系统的实际安全性问题。2.研究了基于机器学习的CVQKD的参数评估与优化方案。通过对支持向量回归(Support vector regression,SVR)模型和CVQKD系统的结合,以期实现对系统性能和实际安全性的优化。首先,通过大量数据训练出信号物理参数的SVR预测模型;然后,模型的预测结果值被作为反馈来控制系统参数,以使系统达到最优的性能和实际安全性;最后,在高斯调制相干态(Gaussian modulated coherent state,GMCS)CVQKD系统中对该方案进行了验证。实验结果证明此基于SVR的方案最终可以达到预期的优化效果且有着几个显著的优点。3.为了提高CVQKD系统的性能和实际安全性,本文提出了一种基于连续随机选择测量基的CVQKD方案。首先我们对此方案进行了详细的介绍;然后计算了集体攻击下所提方案的密钥率,并对实际环境中系统的实际安全性进行了分析。研究结果表明,此方案明显提高了系统的性能,如安全通信距离。而且,我们的方案避免了测量基的比较和密钥率的丢弃,并且可以很容易地利用现有的技术实现。此外,基选择不完美带来的实际安全性问题可以依据相位补偿算法得以解决。

关键词：量子保密通信连续变量量子密钥分发系统实际安全性监控机器学习测量基选择

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基于非理想测量基选择的水下连续变量量子密钥分发方案

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物理学报 2024年第21期73卷 82-92页

作者：吴晓东黄端福建理工大学管理学院福州350118 中南大学电子信息学院长沙410083

在基于零差探测的水下连续变量量子密钥分发系统中,测量基选择是必不可少的步骤.然而在实际中,接收端数模转换器的带宽有限,这会导致测量基选择出现缺陷,即接收方无法在相位调制器上精确地调制出相应的相位角来进行测量基选择以实施零... 详细信息

在基于零差探测的水下连续变量量子密钥分发系统中,测量基选择是必不可少的步骤.然而在实际中,接收端数模转换器的带宽有限,这会导致测量基选择出现缺陷,即接收方无法在相位调制器上精确地调制出相应的相位角来进行测量基选择以实施零差探测.非理想测量基选择会引入额外的过噪声,影响水下连续变量量子密钥分发方案的安全性.针对这个问题,本文提出基于非理想测量基选择的水下连续变量量子密钥分发方案,详细分析非理想测量基选择对水下连续变量量子密钥分发系统性能的影响.研究结果表明,由非理想测量基选择所引入的过噪声能够降低水下高斯调制量子密钥分发的密钥率与最大传输距离,因而降低系统的安全性.为了实现可靠的水下连续变量量子密钥分发,本文对非理想测量基选择所引入的额外过噪声进行定量分析并获得其安全界限,并且考虑不同海水深度对所提出方案安全界限的影响,有效地解决由非理想测量基选择所带来的安全隐患.此外,对所提出的方案,本文不仅考虑了其渐近安全性,也考虑了其组合安全性,后者能够获得比前者更紧的性能曲线.本文所提出的方案旨在推动水下连续变量量子密钥分发系统的实用化进程,为全球量子通信网络的水下通信中水信道参数的准确评估提供理论指导.

关键词：非理想测量基选择连续变量量子密钥分发海水信道海水深度

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基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发

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物理学报 2024年第6期73卷 128-139页

作者：张云杰王旭阳张瑜王宁贾雁翔史玉琪卢振国邹俊李永民山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006 山西大学物理电子工程学院太原030006 山西大学省部共建极端光学协同创新中心太原030006 浙江大学浙江大学杭州国际科创中心杭州311215

在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信... 详细信息

在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐,无需借助软件算法实现数据的对齐.本文采用了加拿大滑铁卢大学Norbert Lütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法.该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩,以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率.计算过程中无需假设信道为线性信道,无需额外噪声的估算.密钥分发系统重复频率为10 MHz,传输距离为25 km,平均安全密钥比特率为24 kbit/s.本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步,减小了系统的复杂度和计算量,在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积,有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.

关键词：连续变量量子密钥分发硬件同步四态离散调制时域差拍探测

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