【量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)探究3200字（論文）】

量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)探究目錄TOC\o"1-2"\h\u4716量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)探究 1109821光源 1221021.1弱相干光源WCS 2260121.2標(biāo)記單光子源HSPS 3293071.3標(biāo)記配對相千態(tài)光源Hrcs 334512傳輸信道 4252342.1光纖信道 4287302.3自由空間信道 5253203編碼與解碼調(diào)制 6如圖2-1所示。量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)主要包括發(fā)送方Alice對于初始量子態(tài)的制備、編碼，通過量子信道傳送到接收方Bob后對量子態(tài)進(jìn)行解碼與探測以及后處理幾個(gè)方面。圖2-1QKD系統(tǒng)的組成示意圖1光源量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的光源2有很多種:單光子源、糾纏光源、衰減后的弱相干光源(WeakCoherentSource,WCS)等等。理論上只有單光子源和糾纏光源符合Q系統(tǒng)安全性的要求。糾纏光源主要是通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SpontaneousParametricDownConversion,SPDC)方式產(chǎn)生的，將一束泵浦光打在一個(gè)晶體(如BBO,KDP晶體等)上產(chǎn)生方向、時(shí)間、波長上糾纏的光子對。根據(jù)使用晶體的不同，可以分為I型和II型相位匹配參量下轉(zhuǎn)換方案。I型相位匹配參量下轉(zhuǎn)換方案會產(chǎn)生一對偏振方向相同的糾纏粒子;II型方案會產(chǎn)生一對偏振方向相互垂直的糾纏粒子。E91協(xié)議所需的光源就是糾纏光源，此外糾纏光源還廣泛應(yīng)用在量子隱形傳態(tài)等領(lǐng)域。目前，單光子源的產(chǎn)生方式主要是量子點(diǎn)方案、NV色心方案、單原子方案等。但是這些方案不僅制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備效率低，而且對實(shí)驗(yàn)要求很高。因此通常情況下我們會采用衰減后的WCS代替完美的單光子源。但由于WCS中包含較多的真空態(tài)和多光子成分，這些都嚴(yán)重限制了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的密鑰生成率和安全密鑰傳輸距離。因此，含有較少真空態(tài)和多光子成分的標(biāo)記單光子源((HeraldedSinglePhotonSource,HSPS)和標(biāo)記配對相干態(tài)光源(HeraldedPairCoherentSource,HPCS)被相繼采用以達(dá)到提升密鑰生成率和安全密鑰傳輸距離的目的。1.1弱相干光源WCS弱相干光源就是衰減后的相干光源。激光產(chǎn)生的光場是相干光場，每個(gè)脈沖的光子數(shù)都會服從泊松分布(PoissonDistribution)，那么衰減后的弱相干光仍服從泊松分布。假定每個(gè)脈沖的相位都是隨機(jī)分布的，那么相干態(tài)動(dòng)是不同光子數(shù)態(tài)(Fockstates)的疊加，。若脈沖的平均光子數(shù)為，那么光脈沖所制備量子態(tài)的密度矩陣可以表示為，（3-1）那么，非空脈沖中含有一個(gè)以上光子的概率為，（3-2）上式的近似條件為μ≤1。當(dāng)u很小時(shí)，多光子的概率可以變得很小。但是大多數(shù)脈沖是空的，即，這就使得大部分時(shí)間鏈路都沒有得到利用，進(jìn)而降低了量子效率。若設(shè)置μ為一個(gè)較大的數(shù)，那么多光子脈沖的概率會提高，Eve利用PNS攻擊竊取信息的概率也會提高。因此，在確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安全的前提下，優(yōu)化平均光子數(shù)μ，提高量子信道效率就顯得非常重要。1.2標(biāo)記單光子源HSPSHSPS通常是基于SPDC或者雙模壓縮態(tài)產(chǎn)生的。因其產(chǎn)生的兩個(gè)光子模式完全對稱，在能量、時(shí)間和偏振等方面相互關(guān)聯(lián)而在量子信息領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。雙模態(tài)具有如下的表達(dá)式，（3-3）其中一個(gè)模式的平均光子數(shù)u=sinh2X，θ表示相位角，einθ“表示各個(gè)光子態(tài)之間的相對相位。以SPDC模式為例，參量下轉(zhuǎn)換出的兩個(gè)光子可以用其中一個(gè)來標(biāo)記另一個(gè)，這種光源被稱作HSPS，此時(shí)n光子數(shù)的HSPS分布為，（3-4）其中μ為平均光子數(shù)，和dA代表觸發(fā)探測器的探測效率和暗計(jì)數(shù)率。1.3標(biāo)記配對相千態(tài)光源Hrcs配對相干態(tài)光源(PairCoherentSource,PCS)最初是由Agarwal提出的，它的工作原理是:共振雙光子激發(fā)中四波混頻和放大自發(fā)輻射之間的綜合作用可以產(chǎn)生具有壓縮和反聚束特性的輻射場。PCS是一種雙模相關(guān)相干態(tài)，這種相關(guān)使得相比于HSPS和WCS,HPCS下QKD系統(tǒng)的密鑰生成率更高。PCS的兩個(gè)模式是對稱的，通過追蹤一個(gè)模式，另一個(gè)模式服從亞泊松分布(sub-PoissonDistribution)，對應(yīng)量子態(tài)的密度矩陣為，（3-5）其中μ為平均光子數(shù)，是修正后的第一類貝塞爾函數(shù)。但是PCS中包含較多的真空態(tài)脈沖。將光子標(biāo)定技術(shù)應(yīng)用在PCS上就可以極大地消除真空態(tài)脈沖。如圖3-2所示，HPCS就是包含PCS態(tài)的光源，其中一個(gè)模式發(fā)送到觸發(fā)探測器;另一個(gè)模式用來進(jìn)行具體的QKD協(xié)議。只有當(dāng)觸發(fā)探測器響應(yīng)時(shí)，另一個(gè)模式的同步脈沖才會被Alice應(yīng)用編碼以進(jìn)行后續(xù)的Q實(shí)驗(yàn)。包含n光子數(shù)的HPCS可用下式來表示，（3-6）其中，和dA分別代表觸發(fā)探測器的探測效率和暗計(jì)數(shù)率，是修正后的第一類貝塞爾函數(shù)。2傳輸信道量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的傳輸信道主要有兩條:一條是量子信道，用來傳輸量子態(tài)信息；另一條是經(jīng)典信道，用來傳輸經(jīng)典信息進(jìn)行后處理操作。目前，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的量子信道主要有光纖信道、水下信道和自由空間信道三種形式。2.1光纖信道光纖信道較水下信道、自由空間信道穩(wěn)定性較好，不易受到溫度和天氣等環(huán)境因素的影響，可以通過自補(bǔ)償技術(shù)或者實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的方法得到基本恒定的安全碼率，比較適用于實(shí)際應(yīng)用中的傳輸與通信?；诠饫w信道的“京滬干線”量子保密通信骨干網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于政府、軍事以及商業(yè)等領(lǐng)域?；诠饫w的QKD系統(tǒng)，其量子信道的損耗源于損耗系數(shù)α和信道的光纖長度l，信道的傳輸效率可以表示為，（3-7）1550nm普通單模光纖的損耗系數(shù)通常為0.3-0.21dB/km，超低損耗光纖的損耗系數(shù)可達(dá)到0.16-0.17dB/km。3.2.2水下信道同光纖信道一樣，水下信道也是重要的量子通信信道。由于海洋勘探和海洋軍事活動(dòng)的需求，水下QKD逐漸被廣泛應(yīng)用來進(jìn)行安全通信陰0光子在水下信道進(jìn)行傳播時(shí)，主要受到吸收和散射的影響。那么總的衰減系數(shù)att*可以由吸收系數(shù)abs*和散射系數(shù)、cap之和來表示，即att.,=abs*十、caa。吸收系數(shù)主要受到光波長的影響;散射系數(shù)則與海水中的具體環(huán)境如浮游生物有關(guān)f}'-l。那么，入射光功率Io與接收光功率I的關(guān)系可以由朗伯一比爾定律((Beer-LarnbertLaw)來表示，（3-8）其中，是平均衰減系數(shù)，與光波長有關(guān)，L代表光信號的傳輸距離。上式表示光信號在水下傳播時(shí)以指數(shù)量級的方式衰減。同時(shí)，由于海洋環(huán)境非常復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用上述信道時(shí)，需要利用已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以符合實(shí)際的環(huán)境情況。2.3自由空間信道自由空間信道是指大氣信道。大氣極不穩(wěn)定，它的溫度、壓力、密度、水汽含量等都在不斷變化，因此大氣信道在光量子傳輸過程中是一個(gè)隨機(jī)的媒介信道。單光子在大氣中傳輸?shù)倪^程中會受到許多因素的影響。1、氣體分子及氣溶膠的吸收效應(yīng)的影響:大氣分子的吸收會使得單光子在大氣傳播過程中被損耗;氣溶膠的吸收效應(yīng)會使得折射率發(fā)生變化。2、大氣中微粒的影響:雨、霧、沙塵等微粒在大氣中獨(dú)立存在，會損耗掉傳輸?shù)牟糠謫喂庾印?、大氣湍流效應(yīng)的影響。大氣湍流運(yùn)動(dòng)是由大氣溫度變化所產(chǎn)生的大氣風(fēng)速隨機(jī)變化而形成的。大氣溫度的隨機(jī)變化會改變大氣折射率使得光脈沖會發(fā)生抖動(dòng)和光束擴(kuò)展等現(xiàn)象，造成接收平面上單光子透射率的起伏和相位的起伏。在自由空間信道中，光脈沖的偏振相比于相位更加穩(wěn)定，因此自由空間的量子通信系統(tǒng)中大多采用偏振編碼方式。對于自由空間的QKD系統(tǒng)，其量子信道的傳輸特性可以用傳輸系數(shù)的概率分布來表征，不同的傳輸特性可以有不同的分布形式。例如，信道的隨機(jī)強(qiáng)度調(diào)制可用對數(shù)正態(tài)分布來表征，（3-9）其中，y為大氣的傳輸效率；表示大氣的平均損耗;a為B--ln(功的方差，表示大氣湍流的影響，該分布僅針對二<B的情況。自由空間信道不像光纖信道受到有限資源的影響，在遠(yuǎn)距離、移動(dòng)目標(biāo)、島嶼和駐外機(jī)構(gòu)等場景都適用。因此，將光纖信道、水下信道和自由空間信道相結(jié)合，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、全覆蓋的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)。3編碼與解碼調(diào)制QKD系統(tǒng)的編碼與解碼調(diào)制主要基于相位編碼、偏振編碼、Time-bin編碼等方式，具體會用到相位調(diào)制器、偏振控制器、強(qiáng)度調(diào)制器等器件。相位調(diào)制器和強(qiáng)度調(diào)制器通常是基于鈮酸鋰(LiNb03)晶體。采用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。電光調(diào)制就是將電信息加載到光載波上，使光參量隨著電參量的變化而變化。光纖相位調(diào)制器通常采用欽擴(kuò)散或者質(zhì)子交換工藝制作光波導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)雙折射或者單偏振的相位調(diào)制。常見的強(qiáng)度調(diào)制器是不等臂馬赫曾德爾干涉儀式強(qiáng)度調(diào)制器，強(qiáng)度調(diào)制本質(zhì)上仍是由相位調(diào)制產(chǎn)生的，激光在光波導(dǎo)中經(jīng)過一個(gè)3dB的分束器分為兩束光，兩束光分別加載相位調(diào)制，然后經(jīng)過第二個(gè)3dB藕合器，發(fā)生干涉后