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基于弱相干态光源的非正交编码被动诱骗态量子密钥分配

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物理学报 2011年第10期60卷 36-41页

作者：周媛媛周学军海军工程大学电子工程学院通信工程系武汉430033

基于改造的弱相干态光源,提出了一种非正交编码被动诱骗态量子密钥分配方案.该方案不主动制备诱骗态,而是根据发送端探测器是否响应,将接收端的探测结果分为响应集合和未响应集合,以此分别作为信号态和诱骗态,并利用这两个集合来估计参... 详细信息

基于改造的弱相干态光源,提出了一种非正交编码被动诱骗态量子密钥分配方案.该方案不主动制备诱骗态,而是根据发送端探测器是否响应,将接收端的探测结果分为响应集合和未响应集合,以此分别作为信号态和诱骗态,并利用这两个集合来估计参量和生成密钥.数值仿真表明,非正交编码被动诱骗态方案的密钥生成效率和安全传输距离都优于现有的被动诱骗态方案,且性能非常接近主动无穷诱骗态方案的理论极限值;未响应集合对密钥生成的参与使方案性能免受发送端探测效率的影响,弥补了实际探测器探测效率低下的缺陷;由于不需要主动制备诱骗态,该方案实现非常简单,适用于高速量子密钥分配的场合.

关键词：量子光学量子密钥分配被动诱骗态密钥生成效率

基于被动诱骗态的测量设备无关量子密钥分发的理论研究

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基于被动诱骗态的测量设备无关量子密钥分发的理论研究

作者：单雨竹国防科学技术大学

学位级别：硕士

量子密码学是量子力学和密码学结合的产物,而量子密钥分发(QKD)作为其中的核心,可以在通信双方建立无条件安全的密钥,从而实现无条件安全的信息交换。基于量子力学基本假设,QKD的无条件安全性已经在理论上得到证明。然而,由于实际设备... 详细信息

量子密码学是量子力学和密码学结合的产物,而量子密钥分发(QKD)作为其中的核心,可以在通信双方建立无条件安全的密钥,从而实现无条件安全的信息交换。基于量子力学基本假设,QKD的无条件安全性已经在理论上得到证明。然而,由于实际设备的非完美性,实际QKD系统中存在一定的安全性漏洞,使得窃听者可以窃取部分或者全部的密钥信息,从而破坏实际系统的无条件安全性。本文主要从理论上研究了基于被动诱骗态的测量设备无关量子密钥分发,主要目的是为实验提供更好的理论依据。文章主要包含下面两个方面:1、介绍了测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)、诱骗态以及被动诱骗态的基本模型。MDI-QKD可以移除全部的探测器漏洞。与诱骗态方案结合时,即使Alice和Bob使用的不是严格的单光子源,也可以保证通信的无条件安全性。然而,用主动调节光源光强来产生诱骗态的方法会引入侧信道并将信息泄漏给Eve。而被动诱骗态可以很好的解决这一问题。在被动诱骗态方案中,Alice和Bob根据光源部分一个特定的探测器响应情况来被动的选择诱骗态和信号态。2、研究被动诱骗态下MDI-QKD方案。在这个方案中,Alice和Bob向不可信的第三方Charlie发送脉冲。然后,我们给出估算Alice和Bob同时向Charlie发送单光子脉冲情况下的产率下限和误码率上限的公式,从而得到密钥生成速率的估算公式。另外,我们会根据标准统计分析,考虑有限数据长度引起的统计涨落。

关键词：量子密钥分发测量设备无关被动诱骗态密钥生成速率

概率致盲攻击模型下被动诱骗态量子密钥分发安全性分析

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信息工程大学学报 2021年第2期22卷 208-214页

作者：栾雨霏汪洋信息工程大学河南郑州450001

在量子密钥分发(QKD)系统实现的过程中,非理想的器件会使整个系统的安全存在一定隐患,比如攻击者可以针对非理想的单光子探测器发起致盲攻击,通常通过监测电流以发现致盲攻击。针对这一防御策略,人们又提出了概率致盲攻击,在不引起系统... 详细信息

在量子密钥分发(QKD)系统实现的过程中,非理想的器件会使整个系统的安全存在一定隐患,比如攻击者可以针对非理想的单光子探测器发起致盲攻击,通常通过监测电流以发现致盲攻击。针对这一防御策略,人们又提出了概率致盲攻击,在不引起系统电流明显改变的前提下窃取部分密钥信息。诱骗态方案是现在QKD系统中普遍使用的方案,其中被动诱骗态方案具有无需主动调制光源强度的特点,使信号态和诱骗态更难区分,具备很好的应用前景。分析了概率致盲攻击对被动诱骗态方案安全性的影响,计算在概率致盲攻击模型下被动诱骗态的计数率和误码率,给出了在概率致盲攻击模型下密钥无限长和有限长两种情况下被动诱骗态更为紧致的安全密钥率公式。

关键词：概率致盲攻击被动诱骗态有限长密钥安全密钥率

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一种新的双模态光源诱骗态量子密钥分配方案

哈尔滨工业大学学报 2018年第11期50卷 74-82页

作者：王潋周媛媛周学军陈霄张政中国人民解放军海军工程大学电子工程学院武汉430000

提出了一种新的基于双模态光源的被动诱骗态量子密钥分配通用方案.作为双模态之一的标记态,在发端经过分束和检测后获得4类探测结果,据此,将作为信号态的另一模式分成4个非空脉冲集合,从而利用这4类脉冲进行参数估计和密钥提取.同时,基... 详细信息

提出了一种新的基于双模态光源的被动诱骗态量子密钥分配通用方案.作为双模态之一的标记态,在发端经过分束和检测后获得4类探测结果,据此,将作为信号态的另一模式分成4个非空脉冲集合,从而利用这4类脉冲进行参数估计和密钥提取.同时,基于预报单光子源和标记配对相干态光源对此方案展开了性能分析,讨论了发端探测器不同探测效率对系统性能的影响,并对实际系统进行了统计波动分析.仿真结果表明:方案性能在误码率和安全传输距离(可达198.6 km)方面都优于现有基于不同光源的3强度诱骗态量子密钥分配方案;采用标记配对相干态光源的各方面性能均优于采用预报单光子源;密钥生成率随发端探测效率的增大而增大;考虑统计波动时,标记配对相干态光源的有效性也要优于预报单光子源,且其数据长度为109时,此方案最大安全距离达到164 km;此方案仅需使用单一强度脉冲,在降低调制光源实现难度的同时又提升了系统性能,对QKD系统的工程实现具有一定的参考价值.

关键词：量子密钥分配无条件安全性被动诱骗态双模态光源统计波动

基于参量下转换光源的被动测量设备无关量子密钥分配

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光学学报 2015年第12期35卷 259-265页

作者：孙颖赵尚弘东晨空军工程大学信息与导航学院陕西西安710077 西安通信学院信息安全系陕西西安710006

量子密钥分配过程中制备诱骗态信号易引入一些边信息(频率、脉冲宽度等),窃听者可利用这些信息来分辨信号态和诱骗态。因此,提出了基于参量下转换光源和被动诱骗态方案的测量设备无关量子密钥分配协议,分析了其密钥生成率、单光子计数... 详细信息

量子密钥分配过程中制备诱骗态信号易引入一些边信息(频率、脉冲宽度等),窃听者可利用这些信息来分辨信号态和诱骗态。因此,提出了基于参量下转换光源和被动诱骗态方案的测量设备无关量子密钥分配协议,分析了其密钥生成率、单光子计数率以及单光子误码率与安全传输距离的关系。仿真结果表明,基于参量下转换光源的被动测量设备无关量子密钥分配协议的密钥安全传输距离达到285 km,远高于基于改造后可输出两路相关信号的弱相干光源的被动测量设备无关量子密钥分配协议,十分接近基于主动诱骗态的测量设备无关量子密钥分配协议,且克服了主动诱骗态方案可能引入边信息的缺点。

关键词：量子光学量子密钥分配测量设备无关被动诱骗态参量下转换光源

基于标记配对相干态的被动测量设备无关量子密钥分配

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中国激光 2020年第9期47卷 349-356页

作者：何业锋李春雨郭佳瑞赵艳坤西安邮电大学网络空间安全学院陕西西安710121 西安邮电大学通信与信息工程学院陕西西安710121

针对主动诱骗态方案可能引入边信息的缺点,通过结合旋转不变态,研究了基于标记配对相干态和脉冲位置调制的被动诱骗态测量设备无关量子密钥分配(MDI-QKD)协议。比较了传统MDI-QKD协议、基于旋转不变态的被动诱骗态MDI-QKD协议和具有不... 详细信息

针对主动诱骗态方案可能引入边信息的缺点,通过结合旋转不变态,研究了基于标记配对相干态和脉冲位置调制的被动诱骗态测量设备无关量子密钥分配(MDI-QKD)协议。比较了传统MDI-QKD协议、基于旋转不变态的被动诱骗态MDI-QKD协议和具有不同帧长的基于旋转不变态的被动诱骗态MDI-QKD协议的性能优劣。仿真结果表明,引入旋转不变态和脉冲位置调制可以提高密钥生成率和安全传输距离。随着帧长的增加,协议的性能得以改善。因此,在没有强度调制的情况下,该协议避免了光源侧信道的影响,密钥生成率较高。

关键词：量子光学测量设备无关量子密钥分配脉冲位置调制旋转不变态被动诱骗态标记配对相干态

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诱骗态量子密钥分配的实际安全性研究

诱骗态量子密钥分配的实际安全性研究

作者：李源解放军信息工程大学

学位级别：硕士

量子密钥分配(QKD)自提出以来在理论研究和实验实现方面都已取得了长足的发展。理想条件下,已经证明它是无条件安全的,但是在实际条件下,QKD系统使用的实际器件存在一定的缺陷,因此需要分析这些实际缺陷对QKD系统安全性带来的影响。目前... 详细信息

量子密钥分配(QKD)自提出以来在理论研究和实验实现方面都已取得了长足的发展。理想条件下,已经证明它是无条件安全的,但是在实际条件下,QKD系统使用的实际器件存在一定的缺陷,因此需要分析这些实际缺陷对QKD系统安全性带来的影响。目前,实际QKD系统中广泛使用的是诱骗态QKD方案,最初的诱骗态QKD方案是主动诱骗态QKD方案,它需要的“主动”调制会引入一定的边信道信息,给QKD系统的安全性带来隐患,而被动诱骗态QKD方案拥有比主动诱骗态方案更高的安全性和更小的实现复杂度,因此研究被动诱骗态方案的实际安全性具有重要意义。本文对光源强度涨落、密钥有限长和调制器衰减这三个非理想特性进行分析,研究了这三个条件下基于弱相干态(WCP)光源的被动诱骗态方案的实际安全性,主要的研究工作如下：1.光源强度涨落条件下基于WCP光源的被动诱骗态QKD方案的安全性研究。本文描述了用于被动诱骗态QKD协议的WCP光源模型,通过引入光源强度涨落参数δ,刻画了光子数分布概率的变化范围,分别给出了强度涨落条件下的单光子计数率的下界和单光子误码率的上界,得到了强度涨落条件下的密钥生成率。通过数值模拟,给出了强度涨落条件下密钥生成率与传输距离的关系。模拟结果表明光源强度涨落条件下,被动诱骗态方案的密钥生成率和最大传输距离优于主动二强度(one decoy)诱骗态方案,与主动三强度(vacuum+weak)诱骗态方案接近。在光强涨落稳定性上,被动诱骗态方案优于主动二强度、三强度诱骗态方案。2.密钥有限长条件下基于WCP光源的被动诱骗态QKD方案的安全性研究。本文基于WCP光源模型,分别给出了有限长条件下信号态与诱骗态的单光子计数率的下界、单光子误码率的上界和相位误码率,进而利用信息论中平滑熵的相关理论,给出了密钥有限长时本文方案的密钥生成率下界。数值模拟结果表明当脉冲总数为1010时,本文方案的密钥生成率和传输距离都趋近于理论极限,说明在密钥有限长条件下本文研究的方案也具有较优的性能。并且,通过数值模拟给出了固定脉冲总数条件下,参数估计选取概率不同时,密钥生成率与传输距离的关系,从而确定本文方案性能最优时,参数估计选取概率的大小,为基于本文方案的工程实现提供理论指导。3.调制器衰减条件下基于WCP光源的被动诱骗态QKD方案的安全性研究。本文针对相位编码QKD系统,基于两个安全性等价的模型刻画了非平衡干涉环中调制器的衰减,一个是理想调制器和衰减器模拟实际的相位调制器,一个是虚拟光源和虚拟酉变换模拟非平衡干涉环。基于本文使用的WCP光源模型,引入调制器衰减度参数φ,基于上述两个模型建立了光子通过率与衰减参数φ的函数关系,随后分别得到了对应的发送方与接收方的光子通过率,进而得到相应的安全密钥率。数值模拟结果表明,基于虚拟光源和虚拟酉变换模型得到密钥生成率和最大传输距离都要优于另一个模型。而且调制器衰减程度相同时,被动诱骗态方案优于主动二强度诱骗态方案,与主动三强度诱骗态方案十分接近。

关键词：量子密钥分配主动诱骗态被动诱骗态弱相干态光源强度涨落密钥有限长调制器衰减安全密钥率

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量子保密通信系统中密钥分发的安全性研究

量子保密通信系统中密钥分发的安全性研究

作者：王卫龙解放军信息工程大学

学位级别：硕士

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,简称QKD)是量子保密通信系统的重要环节,它可以使合法用户共享一串相同的安全密钥。然而,在实际的量子密钥分发系统中总会存在某些非完美特性,尤其是关键器件所带来的安全漏洞可能被窃听者利用,... 详细信息

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,简称QKD)是量子保密通信系统的重要环节,它可以使合法用户共享一串相同的安全密钥。然而,在实际的量子密钥分发系统中总会存在某些非完美特性,尤其是关键器件所带来的安全漏洞可能被窃听者利用,威胁系统的安全性。本文主要研究两类量子密钥分发系统的安全性问题,取得了以下成果:1.单向法拉第-迈克尔逊量子密码系统是一种非常实用的量子密码系统,其中法拉第镜扮演着重要角色。第三章分析了非完美法拉第镜对该系统安全性的影响。模拟实现了针对该系统的被动法拉第镜攻击,通过改变发送方法拉第镜的偏角值计算了窃听者引入的量子误码率和获得成功结果的概率。数值模拟结果显示,发送方的其中一个法拉第镜会使系统对攻击很敏感。然后分析了系统抵抗窃听者同时利用四个非完美法拉第镜的安全性。最后给出了一个以非完美法拉第镜偏角为参数的安全密钥率公式,分析表明发送方的非完美法拉第镜对码率的影响要显著得多。2.量子密码系统中的非完美法拉第镜可以将发送方发出的量子态所在的希尔伯特空间从二维扩大到三维,这将会泄露给窃听者更多的密钥信息。第四章提出了一个针对使用非完美法拉第镜的量子密码系统的简单的攻击实验方案。作为一个例子,用线性光学设备实现了单向法拉第-迈克尔逊量子密码系统上被动法拉第镜攻击的正算子值测量。在不改变攻击效果的前提下,通过将发送方的量子态和窃听者的POVM算子扩大到四维空间,使得攻击更容易实现。进一步,通过适当调整装置中的参数,本章提出的方法同样也适用于其它使用非完美法拉第镜的量子密码系统。3.被动诱骗态方法不需要主动调制信号的光强,而是采用参量下转换光子源内置的诱骗态制备方法,能够减少信号调制时泄露的侧信息,从而提高QKD系统的安全性。第五章对被动诱骗态QKD实验做了全面的理论分析。通过建立实验模型,分析并测试了参量下转换光源的光子数分布,模拟的安全密钥率理论曲线与实验结果非常吻合,从而为实验提供了重要的理论依据。可以预期的是,通过改进实验仪器及技术手段,远距离的被动诱骗态QKD实验是可以实现的。

关键词：量子保密通信量子密钥分发被动法拉第镜攻击正算子值测量被动诱骗态

实际应用下“发送或不发送”量子密钥分发协议的研究

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实际应用下“发送或不发送”量子密钥分发协议的研究

作者：薛轲南京邮电大学

学位级别：硕士

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)协议可以为合法的通信双方提供安全的密钥,其安全性由量子力学定律所保证,在理论上具有无条件的安全性。近年来,双场量子密钥分发协议(Twin-field Quantum Key Distribution,TF-QKD)的出现... 详细信息

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)协议可以为合法的通信双方提供安全的密钥,其安全性由量子力学定律所保证,在理论上具有无条件的安全性。近年来,双场量子密钥分发协议(Twin-field Quantum Key Distribution,TF-QKD)的出现突破了QKD协议的限制,引起了QKD领域各方研究人员的关注。其改进协议“发送或不发送”量子密钥分发协议(Sending Or Not-Sending Quantum Key Distribution,SNS-QKD),不仅修复了TF-QKD的安全性漏洞,还能容忍更大的非对准误差,因而具有更好的实用性。本文针对实际应用下的SNS-QKD协议进行研究,具体研究内容和成果如下:1.提出基于即插即用(Plug-And-Play,P&P)结构的“发送或不发送”量子密钥分发协议。在实际应用中,量子密钥分发系统受物理设备或外围环境的影响,量子态在传输时会受到双折射效应的干扰,威胁着QKD系统的安全性。即插即用结构具有自补偿特性,可以消除密钥传输过程中相位或偏振的变化,可以避免对量子通信系统的细微调整。论文将即插即用结构应用于SNS-QKD协议,给出了基于即插即用结构的P&P SNS-QKD协议。论文详细描述了P&P SNS-QKD的框架,分析了P&P SNS-QKD在光源不可信情况下的安全性。仿真结果表明,即使是在光源不可信的情况下,P&P SNS-QKD协议的性能仍然与原始SNS-QKD协议的性能相近,并且在非对准误差率高达35%时,密钥率仍然有10,展示了对非对准误差高容忍性的优点。2.提出基于被动诱骗态方案的“发送或不发送”量子密钥分发协议。在实际应用中,强度调制器(Intensity modulator,IM)的非理想性会给主动诱骗态方法带来安全隐患。为了提升SNS-QKD在光源上的安全性,论文提出了一种基于被动诱骗态方案的发送或不发送量子密钥分发协议。此时,信号态与诱骗态不再以光场强度大小区分,而是以探测器的不同响应事件来分类,由此可避免强度调制器的非理想性所带来的安全隐患。仿真结果表明,使用被动诱骗态方案的SNS-QKD在提高了安全性的同时,其性能也与原始SNS-QKD相近,并且在非对准误差率高达35%时,性能上仍然优于MDI-QKD,表明了其对非对准误差的高容忍性。

关键词：量子密钥分发发送或不发送量子密钥分发协议即插即用被动诱骗态