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Chinese Journal of Lasers

星地连续变量量子密钥分发有限密钥优化研究

陈宇杰 Chen Yujie, 程锦 Cheng Jin, 孙新 Sun Xin, 郭俊杰 Guo Junjie, 刘奥 Liu Ao, 尹鹏 Yin Peng, 陈兰剑 Chen Lanjian, 东晨 Dong Chen

Published Jan 1, 2025• 4 citations
Publisher

Abstract

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。

DOI
10.3788/cjl241102

Related papers

Hybrid QKD Protocol Outperforming Both DV- and CV-QKD Protocols

Ivan B. Djordjević

To overcome the limitations of both discrete variable (DV) and continuous variable (CV) QKD protocols, in this paper, a hybrid QKD protocol is proposed. In the proposed hybrid QKD protocol, Alice simultaneously performs discrete modulation (DM)-based encoding for CV-QKD subsystem and time-phase encoding for DV-QKD on a transmitter side and transmits such hybrid encoded pulse with optimized average number of photons per pulse. On receiver side, Bob employs a 1:2 optical space switch to select either DV-QKD receiver or CV-QKD receiver with the optimized probability of selection. Other compatible CV-QKD and DV-QKD protocols can also be used in hybrid QKD. Bob further performs the classical postprocessing applied to both subsystems so that resulting joint secure key is derived from both subsystems. The proposed hybrid QKD protocol significantly outperforms previously introduced both Gaussian modulation (GM)- and DM-based CV-QKD protocols as well as DV-QKD protocols in terms of both secret-key rate and achievable transmission distance.

IEEE photonics journal•Oct 11, 2019•29 citations

湍流信道下连续变量量子密钥分发密钥率研究

刘旭超 Liu Xuchao, 温佳旭 Wen Jiaxu, 李少波 Li Shaobo +2 more

在空间信道连续变量量子密钥分发（CVQKD）中，相干态调制体制与经典光通信设备通用性更强、与光纤信道兼容性更好，是未来空间信道CVQKD网络建设重要方案之一。针对湍流信道中光量子信号的扩束、吸收、散射、漂移以及本振光和量子信号之间的相位差抖动等效应，构建了湍流信道下CVQKD安全密钥率仿真模型，重点分析了湍流信道参数、相位延迟量和探测方式对系统密钥率的影响。结果表明：系统总过噪声与传输距离、本振光和信号光延迟时间、大气湍流强度等均呈正相关，大气湍流的增强会降低信道透过率，还会增大系统中断概率和过噪声，使系统密钥率迅速下降。外差探测在短距离传输时具有较高密钥率，零差探测可实现更远距离传输。仿真结果可为实际自由空间CVQKD系统的设计和优化提供参考。

Chinese Journal of Lasers•Jan 1, 2023•6 citations

Multi-mode CV-QKD with Noiseless Attenuation and Amplification

Mingjian He, Robert Malaney, Benjamin A. Bumett

In this work we study the use of noiseless attenuation and noiseless amplification, in terms of multi-mode Continuous-Variable (CV) Quantum Key Distribution (QKD) over satellite-to-ground channels. We propose an improved multi-mode CV-QKD protocol where noiseless attenuation and noiseless amplification operations are applied at the transmitter and the receiver, respectively. Our results show that consistent with single-mode CV-QKD, the noiseless amplification operation, when applied at the receiver, can increase the transmission distance and the channel noise tolerance of multi-mode CV-QKD. Different from single-mode CV-QKD, in multi-mode CV-QKD the key rate improvement offered by noiseless amplification can be further enhanced by adding noiseless attenuation at the transmitter.

arXiv:2006.02094•IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps)•Dec 1, 2020•1 citation

星地链路中光放大器对量子密钥分发的性能分析与改进

姜欢窈 Jiang Huanyao, 聂敏 Nie Min, 杨光 Yang Guang +1 more

研究了光放大器在星地链路中对离散调制连续变量量子密钥分发（DM-CV-QKD）系统的量子密钥率提升及其对系统安全性的影响。通过仿真分析发现，光放大器能够显著提高短距离通信中的量子密钥率，尽管四进制量子密钥分发和八进制量子密钥分发协议在此情境下有效提高了密钥率，但存在较大的退化区域，未能覆盖卫星到地面之间的安全通信距离，导致安全通信距离较短。为突破这一限制，提出了一种新型的十六进制双环调制方式，有效地减小了退化区域并增强了系统的整体可靠性，从而显著提升了密钥率并延长了安全通信距离。此外，还分析了湍流强度、光波长和水平仰角等因素对此系统性能的影响，结果表明，在强湍流条件下，使用高斯调制和十六进制双环调制方式，光放大器仍能有效提升信号质量，其增强区域可以覆盖近地轨道卫星的工作范围，证明了其在复杂环境中的应用价值与重要性。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•1 citation

新型循环差分相移量子密钥分发协议

鲁雨婷 Lu Yuting, 赵生妹 Zhao Shengmei, 毛钱萍 Mao Qianping

量子密钥分发（QKD）作为一种由量子物理保证的绝对安全的密钥分发引起了广泛的关注。在现有的量子密钥分发协议中，循环差分相移量子密钥分发协议（RRDPS-QKD）因其具有较大的比特错误容限度，在实际应用中具有极大的优势。在循环差分相移量子密钥分发协议基础上，设计一种新型循环差分相移量子密钥分发协议，在接收设备中通过一个开关将接收到的脉冲序列分为两支（定义为奇偶两支路），在奇（偶）路上加入一个随机延时器和一个延时器，既能使接收端接收到的所有脉冲都能参与干涉，提升脉冲序列的利用率，又能使发送端可以连续发送脉冲序列。仿真分析结果和模拟量子密钥分发实验结果表明，新型循环差分相移量子密钥分发协议能够明显增大脉冲序列参与干涉的概率，有效地提升了循环差分相移量子密钥分发协议的安全密钥率。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2024•1 citation

Discretized Gaussian Modulation-Based Continuous Variable (CV)-QKD

Ivan B. Djordjević

To overcome the low-reconciliation-efficiency problem of Gaussian modulation (GM)-based-CV-QKD, we propose to use discretized-GM-based-CV-QKD. This scheme has complexity and reconciliation-efficiency similar to discrete modulation (DM)-based-CV-QKD and at the same time solves for the problem of nonexistence of strict security proofs for DM-CV-QKD under collective attacks.

IEEE Photonics Conference•Sep 1, 2019•2 citations
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。
To overcome the limitations of both discrete variable (DV) and continuous variable (CV) QKD protocols, in this paper, a hybrid QKD protocol is proposed. In the proposed hybrid QKD protocol, Alice simultaneously performs discrete modulation (DM)-based encoding for CV-QKD subsystem and time-phase encoding for DV-QKD on a transmitter side and transmits such hybrid encoded pulse with optimized average number of photons per pulse. On receiver side, Bob employs a 1:2 optical space switch to select either DV-QKD receiver or CV-QKD receiver with the optimized probability of selection. Other compatible CV-QKD and DV-QKD protocols can also be used in hybrid QKD. Bob further performs the classical postprocessing applied to both subsystems so that resulting joint secure key is derived from both subsystems. The proposed hybrid QKD protocol significantly outperforms previously introduced both Gaussian modulation (GM)- and DM-based CV-QKD protocols as well as DV-QKD protocols in terms of both secret-key rate and achievable transmission distance.
在空间信道连续变量量子密钥分发（CVQKD）中，相干态调制体制与经典光通信设备通用性更强、与光纤信道兼容性更好，是未来空间信道CVQKD网络建设重要方案之一。针对湍流信道中光量子信号的扩束、吸收、散射、漂移以及本振光和量子信号之间的相位差抖动等效应，构建了湍流信道下CVQKD安全密钥率仿真模型，重点分析了湍流信道参数、相位延迟量和探测方式对系统密钥率的影响。结果表明：系统总过噪声与传输距离、本振光和信号光延迟时间、大气湍流强度等均呈正相关，大气湍流的增强会降低信道透过率，还会增大系统中断概率和过噪声，使系统密钥率迅速下降。外差探测在短距离传输时具有较高密钥率，零差探测可实现更远距离传输。仿真结果可为实际自由空间CVQKD系统的设计和优化提供参考。
In this work we study the use of noiseless attenuation and noiseless amplification, in terms of multi-mode Continuous-Variable (CV) Quantum Key Distribution (QKD) over satellite-to-ground channels. We propose an improved multi-mode CV-QKD protocol where noiseless attenuation and noiseless amplification operations are applied at the transmitter and the receiver, respectively. Our results show that consistent with single-mode CV-QKD, the noiseless amplification operation, when applied at the receiver, can increase the transmission distance and the channel noise tolerance of multi-mode CV-QKD. Different from single-mode CV-QKD, in multi-mode CV-QKD the key rate improvement offered by noiseless amplification can be further enhanced by adding noiseless attenuation at the transmitter.
研究了光放大器在星地链路中对离散调制连续变量量子密钥分发（DM-CV-QKD）系统的量子密钥率提升及其对系统安全性的影响。通过仿真分析发现，光放大器能够显著提高短距离通信中的量子密钥率，尽管四进制量子密钥分发和八进制量子密钥分发协议在此情境下有效提高了密钥率，但存在较大的退化区域，未能覆盖卫星到地面之间的安全通信距离，导致安全通信距离较短。为突破这一限制，提出了一种新型的十六进制双环调制方式，有效地减小了退化区域并增强了系统的整体可靠性，从而显著提升了密钥率并延长了安全通信距离。此外，还分析了湍流强度、光波长和水平仰角等因素对此系统性能的影响，结果表明，在强湍流条件下，使用高斯调制和十六进制双环调制方式，光放大器仍能有效提升信号质量，其增强区域可以覆盖近地轨道卫星的工作范围，证明了其在复杂环境中的应用价值与重要性。
量子密钥分发（QKD）作为一种由量子物理保证的绝对安全的密钥分发引起了广泛的关注。在现有的量子密钥分发协议中，循环差分相移量子密钥分发协议（RRDPS-QKD）因其具有较大的比特错误容限度，在实际应用中具有极大的优势。在循环差分相移量子密钥分发协议基础上，设计一种新型循环差分相移量子密钥分发协议，在接收设备中通过一个开关将接收到的脉冲序列分为两支（定义为奇偶两支路），在奇（偶）路上加入一个随机延时器和一个延时器，既能使接收端接收到的所有脉冲都能参与干涉，提升脉冲序列的利用率，又能使发送端可以连续发送脉冲序列。仿真分析结果和模拟量子密钥分发实验结果表明，新型循环差分相移量子密钥分发协议能够明显增大脉冲序列参与干涉的概率，有效地提升了循环差分相移量子密钥分发协议的安全密钥率。