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2022年学术进展系列之47:3044永利官网vip硕士研究生陈烨及导师等在具有源和检测缺陷下的量子密钥分发实验上取得重要进展
2022-08-26 20:20  

近期3044永利官网vip量子信息与量子通信团队与中山大学孙仕海团队合作,在具有源和检测缺陷下的量子密钥分发实验方面取得重要进展,研究论文具有源和检测缺陷的安全量子密钥分发的实验研究Experimental study of secure quantum key distribution with source and detection imperfections)被《Physical Review A》 杂志接收发表。

量子密钥分发(QKD)以量子物理原理为保证,是未来安全信息通信技术的一种很有前途的解决方案。然而,器件的缺陷影响了现实中量子密钥分配系统的安全性,限制了量子密钥分配系统的广泛应用。为了保证实际设备下的安全量子密钥分发,人们也提出了许多新的方法,比如设备无关量子密钥分发,测量设备无关量子密钥分发和安全补丁方法。

本研究基于安全补丁的方法,报告了一个同时考虑源缺陷和检测缺陷下的单诱骗态Bennett-Brassard 1984 (BB84) QKD实验。特别是,通过应用系统性能分析,我们实现了高达75公里的光纤链路上严格的有限密钥安全约束。此外,我们的研究比以往的大多数实验考虑了更多的器件缺陷,提出的理论可以推广到其他离散变量QKD系统。这些功能构成了用不完善的实用设备来确保QKD的关键一步。

相较于其它实际设备缺陷下的QKD实验,我们的工作主要在于以下几点:(1)与其它仅考虑单一缺陷的工作不同,我们的工作可以涵盖QKD系统中常见的制备不准确、诱骗态可变、特洛伊木马攻击和探测器效率不匹配等绝大多数问题,并在一个统一的安全性模型中进行讨论。(2)我们的工作考虑到了实际条件下数据量有限的情况,给出了有限长情况下的安全密钥率公式。(3)我们的工作中采用的单诱骗态方法,更容易在系统中实现。相较于传统的双诱骗态方法,我们的工作证明,即使在考虑多种缺陷的情况下,单诱骗态方法仍可以在75km处获得安全的密钥。

我们的实验系统如图一所示:


图一

 

  图中是我们的实验系统,LD表示商用激光二极管,BS175:25的光纤分束器,BS250:50的光纤分束器,是相位调制器,CPM是自制的偏振模块,ATT是光衰减器,IS是光学隔离,PC是偏振控制器,SPD是单光子雪崩探测器,PAM是偏振分析模块,TDCtime-to-digital转换器。我们在接收端和发送端都使用保偏光纤。我们分别测量了系统发送端的制备不准确、诱骗态可辨,特洛伊木马参数以及接收端的探测效率不匹配。结果如图下所示:


 

表一

  

  表一中展示了我们测量的四种缺陷参数,我们将缺陷参数考虑进密钥率模型中,并考虑有限数据量情况,密钥率结果如图二所示:


图二


蓝线是不考虑缺陷的经典GLLP曲线,黑色是本文考虑缺陷和有限长的理论曲线,红色三角是数据点。可以看出,即使在考虑多种缺陷的联合作用下,我们的安全性模型仍然可以在75km处恢复安全密钥。

该工作获得国家自然科学基金重点项目、广西科学基金项目及北京邮电大学IPOC开放基金等项目资助。

论文作者:陈烨(硕士生),黄春凤(博士生),陈子豪(硕士生),何文杰(本科生),张程贤,孙仕海,韦克金(通信作者)

论文链接:https://link. aps. org/doi/10.1103/PhysRevA.106.022614




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