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2021年研究进展系列之12:我院量子信息团队在量子密钥分发实验方面取得重要进展
2021-04-07 16:31  

近期我院量子信息与量子通信团队在实际高稳定性量子密钥分发系统实验方面取得重要进展,论文使用稳定收发端的简单量子密钥分配方案Simple Quantum Key Distribution using a Stable Transmitter-Receiver Scheme)被国际光学重要杂志Optics Letters接收。该工作获得国家自然科学基金重点项目、青年基金及广西相对论天体物理重点实验室开放课题等项目资助。

 

Early Posting链接:https://www.osapublishing.org/ol/upcoming_pdf.cfm?id=418851

 

论文作者:马迪(三年级硕士生)、刘馨(一年级硕士生)、黄春凤(二年级硕士生)、陈华生(本科生)、林焕斌(本科生)、韦克金副教授(通信作者)

 

主要内容简介:

 

量子密钥分发Quantum Key DistributionQKD是量子通信的重要分支,是量子力学与密码学结合的产物。QKD能够在两个远程用户之间共享安全的随机密钥,其安全性由量子力学基本原理保障。由于其可靠的安全性,QKD作为新一代的加密手段被广泛研究。经过多年发展,QKD已经完成安全性证明,在自由空间、光纤链路、水下通道甚至星地之间均已完成实验验证,并且已经开始逐步商业化。然而,QKD系统中实际器件仍然存在潜在的安全性漏洞,同时集成度、稳定性等仍不尽人意,极大地限制了其应用场景。因此,如何提高实际系统的安全性、稳定性及集成度是当前的重要研究方向。偏振编码诱骗态方案广泛应用于多种QKD协议中。然而在调制过程中会出现模式效应等侧通道,带来安全性漏洞。

本工作提出了一套简单的具有稳定收发端的QKD案。发射端由Sagnac强度调制器与Sagnac偏振调制器通过保偏光纤连接而成(图1),具有无需偏振对齐和无偏振模式色散的特点,同时免疫调制过程的模式效应漏洞。此外,发射端具有极强的抗干扰能力,Sagnac强度调制器填补了模式效应攻击的安全漏洞。同时,接收端采用具有紧凑结构的偏振分析模块,并且对准并固定了每组测量基矢的相对角度,提高了内在的稳定性。同时,接收端简化了基矢校准与偏振补偿的难度,可以将偏振控制器的数量由两个以上减少至一个。在实验测试中,系统在没有任何主动补偿和校正的情况下,维持了48小时的稳定性和平均量子误码率(QBER)小于1%(图2),展示了优秀的稳定性。该系统也在光纤信道上进行了测试,在75km长的光纤信道上获得了7.32kb/s的密钥率(图3

1具有稳定收发端的QKD系统装置示意图。a. Sagnac POL模块示意图;b. PAM模块示意图。

 

2:误比特率(QBER)和计数(Counts48小时稳定性测试。绿色(粉色)线表示XZ

基是QBER。蓝色(红色)线表示信号态(诱骗态)计数。

3不同距离下的安全密钥率。蓝色实线为理论仿真结果,红色三角为实验结果,分别对应25km50km75km

 

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