长距离量子密钥分发系统
长距离量子密钥分发系统
【摘要】：量子保密通信提供了一种绝对安全的通信方案，它的安全性由不可改变的自然规律保证，是任何技术都无法攻破的。本文以实用的长距离量子密钥分发系统为研究目的，围绕着困扰长距离量子密钥分发的三个主要技术障碍，分别就纠缠光子产生，单光子探测，稳定和安全的量子密钥分发方案展开研究。我们通过BBO晶体内非共线光参量放大，同时实现了光参量下转换和上转换。这种光子级联四波混频过程产生了紫外和可见的纠缠彩虹对。彩虹对由波长连续变化的紫外和可见光子组成，这些光子一一对应相互纠缠，并且按照角度变化组成彩虹环。纠缠彩虹对能够同时提供多波长的纠缠光子对，其中紫外纠缠光子能够用于产生进一步纠缠。进而，本文提出了基于多波长纠缠光子对的高效的量子通信网络方案。在单光子探测研究中，本文提出了电容平衡门脉冲单光子探测技术，利用可调电容产生一个相同的尖峰噪声，然后通过差模网络抵消。该技术克服了尖峰噪声的影响，使基于InGaAs／InP-APD的近红外单光子探测器能够工作在最佳状态，获得了极高的信噪比，其在1550nm的暗计数与探测效率比为1.7×10~(-6)／脉冲，是目前国际上最好的指标之一。基于电容平衡门脉冲单光子探测技术，我们随即成功开发了新型的近红外单光子探测器，它具有操作简便，结构紧凑，性能优异，工作稳定等特点。我们提出和实现了基于Sagnac干涉仪的量子密钥分发方案，被美国LosAlamos国家实验室的量子保密通信路线图列为代表性方案之一。
随后我们在50km光纤中完成了长期稳定的PlugPlay量子密钥分发系统，平均光子数0.1，误码率低于4％。在该PlugPlay系统基础上，我们利用自行研制的高信噪比的近红外单光子探测器，实现了155km单光子路由实验，干涉对比度达到87％。由于光纤本身不均匀，以及外界压力和温度变化，使得光纤双折射无规则随机变化，从而使偏振态在长距离光纤中无法稳定传输。本文发展了一种单光子水平的偏振反馈补偿技术，解决了偏振光在光纤中传输时因光纤双折射变化引起的随机抖动，在长距离光纤中实现了长时间稳定的单光子水平的偏振态传输，并首次在100km长距离光纤中实现了基于偏振编码的量子密钥分发模拟实验。我们在实验上模拟了截取-重发攻击，并且提出了基于强参考光的量子密钥分发方案，通过监测强参考光，可以有效地阻止光子分束攻击，从而使基于相干光源的量子密钥分发系统的安全距离延长至146km。【关键词】：量子保密通信量子密钥分发单光子探测纠缠光子Sagnac干涉仪单光子路由截取-重发攻击光子分束攻击
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TN918
【目录】：摘要6-8Abstract8-10目录10-13第一章引言13-151.1经典密码学131.2量子保密通信13-141.4论文内容安排14-15第二章量子保密通信简介15-262.1量子保密通信的量子力学基础15-172.1.1量子态叠加和量子比特152.1.2测不准原理与量子不可克隆定理15-172.2量子密钥分发协议17-202.2.1BB84协议17-192.2.2EPR协议19-202.3量子密钥分发发展现状20-242.3.1空间-相干光量子密钥分发212.3.2空间-单光子量子密钥分发21-222.3.3空间-纠缠光子对量子密钥分发222.3.4光纤-单向-相干光量子密钥分发22-232.3.5光纤-单向-纠缠光子量子密钥分发232.3.6光纤-双向-相干光量子密钥分发232.3.7高速量子密钥分发23-242.4量子密钥分发的实际技术瓶颈24-26第三章多波长time-bin纠缠光子26-403.1EPR佯谬和Bell不等式26-303.1.1EPR佯谬26-283.1.2Bell不等式28-303.2纠缠光子源简介30-333.2.1偏振纠缠光子30-323.2.2Energy-time和time-bin纠缠光子32-333.3多波长time-bin纠缠光子源33-393.3.1纠缠彩虹对实验装置33-343.3.2纠缠彩虹对的产生机制34-363.3.3彩虹对的光子关联性363.3.4纠缠彩虹对的关联特性36-383.3.5纠缠光子的波长调谐38-393.4小结39-40第四章单光子探测40-654.1单光子探测概述40-444.2近红外单光子探测器研究44-494.2.1盖革模式及其抑制电路44-464.2.2雪崩光电二极管的特性及单光子探测性能参数46-484.2.3门脉冲单光子探测48-494.3双APD平衡门脉冲单光子探测49-544.3.1双APD平衡门脉冲单光子探测电路设计49-504.3.2双APD平衡门脉冲单光子探测尖峰噪声抵消50-524.3.3双APD平衡门脉冲单光子探测性能测试
52-544.4电容平衡门脉冲单光子探测54-594.4.1电容平衡门脉冲单光子探测电路设计54-554.4.2电容平衡门脉冲单光子探测尖峰噪声抵消55-564.4.3电容平衡门脉冲单光子探测性能测试56-594.5新型的近红外单光子探测器59-634.6基于近红外单光子探测器的的超灵敏光谱分析仪63-644.7小结64-65第五章长距离量子密钥分发系统65-865.1长距离量子密钥分发简介65-675.1.167kmPlug&Play量子密钥分发65-665.1.2122km基于时分Mach-Zender干涉仪的量子密钥分发66-675.1.3125km基于迈克尔逊-法拉第干涉仪的量子密钥分发675.2Plug&Play量子密钥分发系统67-725.2.1光路设计68-695.2.2控制信号及编码解码69-705.2.3数据采集70-715.2.4单光子探测715.2.5量子密钥分发71-725.3155km单光子路由72-745.3.1瑞利反向散射的影响72-735.3.2155km基于Plug&Play量子密钥分发系统的单光子路由实验73-745.4偏振编码的量子密钥分发实验74-855.4.1单光子水平偏振反馈补偿74-815.4.2偏振编码的量子密钥分发实验81-855.5小结85-86第六章长距离量子密钥分发的安全性86-1026.1长距离量子密钥分发存在的安全问题及解决办法86-886.1.1基于理想单光子的量子密钥分发的极限安全距离866.1.2光子分束攻击86-876.1.3诱骗态量子密钥分发方案87-886.2截取-重发攻击仿真实验88-926.2.1偏振B92协议的漏洞896.2.2截取-重发模拟实验装置89-916.2.3截取-重发攻击模拟实验91-926.3基于强参考光脉冲的长距离量子密钥分发92-1006.3.1截取-重发攻击下基于强参考光脉冲的量子密钥分发的安全性93-946.3.2在光子分束攻击下基于强参考光脉冲的量子密钥分发
的安全性94-1006.4小结100-102第七章基于多波长纠缠光子的量子通信网络102-1067.1基于多波长纠缠光子的量子通信网络102-1057.1.1纠缠彩虹对1027.1.2基于多波长纠缠光子的量子通信网络拓扑结构102-1037.1.3基于多波长纠缠光子的量子通信网络协议103-1047.1.4波分复用+时分复用解码方案104-1057.2小结105-106第八章总结和展望106-1088.1本文的研究意义1068.2本文研究内容和创新点106-1078.3研究展望107-108参考文献108-120博士期间的科研成果和获得的奖励120-124致谢124 本论文购买请联系页眉网站。
量子密钥分发的应用与挑战研究与分析
量子密钥分发的应用与挑战研究与分析
在当今数字化的时代，信息安全成为了至关重要的问题。随着技术的不断发展，传统的加密方法面临着越来越多的挑战。而量子密钥分发作为一种基于量子力学原理的新型加密技术，为信息安全带来了新的希望。
量子密钥分发，简单来说，就是利用量子力学的特性来实现安全的密钥交换。其核心原理在于量子态的不可克隆性和测量会导致量子态的改变。这意味着，任何对量子密钥传输过程的窃听都会被发现，从而保证了密钥的安全性。
一、量子密钥分发的应用领域
1、 军事与国防
在军事领域，信息的保密性和安全性至关重要。量子密钥分发可以用于军事通信，确保指挥系统、情报传递等关键信息的安全。通过量子密钥分发生成的密钥，能够加密军事通信中的语音、图像和数据，防止敌方的窃听和破解。
2、 金融行业
金融交易涉及大量的资金和敏感信息。量子密钥分发可以为金融机构之间的通信、在线交易和数据传输提供高度安全的加密保护。防止黑客攻击和信息窃取，保障金融系统的稳定和客户的资产安全。 3、 政务领域
政府部门处理着大量的机密信息，如国家政策、战略规划等。量子密钥分发可以应用于政府内部的通信网络，保护政务数据的安全传输和存储，防止机密信息的泄露。
4、 物联网
随着物联网的发展，越来越多的设备连接到网络。然而，物联网设备的安全性往往相对较弱。量子密钥分发可以为物联网设备提供强大的加密支持，保障设备之间通信的安全性，防止恶意攻击和数据篡改。
二、量子密钥分发所面临的挑战
1、 距离限制
目前，量子密钥分发在实际应用中存在距离限制。由于量子态在传输过程中会受到信道损耗和噪声的影响，导致其传输距离有限。虽然研究人员不断努力改进技术，但要实现长距离的量子密钥分发仍然面临诸多困难。
2、 设备成本高昂
量子密钥分发需要高度精密的量子设备，如单光子源、探测器等。这些设备的制造和维护成本较高，限制了其大规模的应用和推广。降低设备成本，提高设备的稳定性和可靠性，是当前需要解决的重要问题。
量子密钥原理
量子密钥原理
1. 什么是量子密钥原理
量子密钥原理又称为量子密钥分配，是利用量子物理学原理来实
现安全通信的方法。该方法是通过光子间的量子纠缠实现随机密钥分
配，从而确保信息传输的安全、保密和不可破解性。
2. 量子密钥原理的核心原理
量子密钥原理的核心原理是光的量子特性和光子的单光子检测技
术。采用光的量子特性制备出可控的纠缠态，将复杂的随机数变为量
子态，通过量子态测量的方式让远程通信的两个终端都能获取一个完
全相同的随机密钥。
3. 量子密钥原理的优势
量子密钥原理是一种高度安全的通信方式，有以下优势：
1. 窃密攻击检测：由于量子态在传输过程中被测量会破坏量子状
态，一旦有人窃取了密码，就可以被发现。
2. 完全机密性：即便攻击者有无限的计算资源和时间，也无法破
解。
3. 完全秘密转移性：不论攻击者使用何种方式去攻击您的传输过
程，您的信息在传输过程中都是完全保密的。 4. 量子密钥原理的应用
目前，量子密钥分配在领域的应用主要包括军事、金融、科研等
重要领域。其中最为重要的是用于政府、金融机构等特定场所的机密
数据传输，以及基于量子密钥分配的量子安全通信、量子加密等相关
技术。
5. 量子密钥原理的未来发展
随着量子计算的快速发展，量子密钥分配作为安全通信的重要技
术也将得到更加广泛的应用。同时，体积小、重量轻、安全性更强、
可扩展性更好的量子通信设备也将逐步成为通信市场的未来发展方向，
为后续的量子通信和量子网络的规模化应用奠定更加广阔的基础。
基于BB84协议的量子密钥分发系统研究
第２３卷第６期 ２０１３年６月 计算机技术与发展
Ｃ０ＭＰＵ Ｉ＇ＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２０１３
基于ＢＢ８４协议的量子密钥分发系统研究
黄开国，王衍波，张启业，王 晓，何敏
（解放军理工大学，江苏南京２１０００７）
摘要：量子密码技术提出以后，得到了人们的普遍关注，它是目前唯一能够证明的绝对安全的保密通信方式。随着量子 信息技术的发展，量子密钥分发技术开始从理论走向实际应用。为了研究在实际量子密钥分发系统中各部件对密钥分发 效率的影响，提高密钥分发速率，对基于ＢＢ８４协议的光纤量子密钥分发系统进行建模分析，研究了影响密钥分发效率的 参数。数值仿真表明：准单光子源中平均光子数和光纤长度是影响最终密钥协商速率的关键参数。为进一步提高量子密 钥分发系统的效率提供了参考。 关键词．ＢＢ８４协议；量子密钥分发；光子源频率；接收效率 中图分类号：ＴＦ３０９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—６２９Ｘ（２０１３）０６—０１４７—０４ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—６２９Ｘ．２０１３．０６．０３８
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢＢ８４ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ
ＨＵＡＮＧ Ｋａｉ－ｇｕｏ，ＷＡＮＧ Ｙａｎ—ｂｏ，ＺＨＡＮＧ Ｑｉ—ｙｅ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ，ＨＥ Ｍｉｎ
（ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃ，ｏｎｃｅｍｅｄ ｉｎ ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ ａｆｔｅｒ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ．Ｓｉｎｃｅ ｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ｏｎｌｙ ｗａｙ ｔｈａｔ ｃａｌｌ ｂｅ ｐｒｏｖｅｄ ｔＯ ｅｌｉ－ Ｓｔｉｌｅ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｍａｋｅｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｇｏｅｓ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｆｏｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｈｏｗ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＢＢ８４ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｅｆｆｅｃｔｔｈｅ ｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅ ｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒａｔｅ，ａｔｈｅｏｒｅｔｉｃｍｏｄｅｌ ｒｅｌａｔｉｖｅｔＯｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍｗａｓ ｒｅ－ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓｔｈｅ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｉｔｗａｓ ｓｈｏｗｎ ｂｙｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈａｔ ａｖｅｒａｇｅ ｐｈｏｔｏｎ ｎｕｍｂｅｒｉｎ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｎ ｓｏｕｒｃｅａｎｄｔｈｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ ａｒｅｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒａｔｅ．Ｔｈｅｗｏｒｋｉｓ ｕｓｅｆｕｌｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏ－ ｖｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＢＢ８４ ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｐｈｏｔｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
量子密钥分发技术的机遇与挑战
第１期 ２０１４年２月 ＩｉＩ鼋；舛譬曩雹豫学极
Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ ＣＡＥＩＴ Ｖ０１．９ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１４
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—５６９２．２０１４．０１．００５
量子密钥分发技术的机遇与挑战
陈晖，张文政
（保密通信重点实验室，成都６１００４１）
摘要：量子密钥分发（ＱＫＤ，ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）具有理想的理论安全性，近十年来得到了快 速发展。但是，理论上被证明完美的技术并不意味着一定能够实现完美的应用。一方面，越来越多
的研究表明，旁路攻击将是ＱＫＤ系统的一个主要威胁，而且针对实际ＱＫＤ系统的旁路攻击才刚刚
开始。另一方面，由于量子信号的传输不像经典电磁波那样具有很大的灵活性，致使ＱＫＤ很难与 传统通信网络进行无缝对接，也很难在广域网中得到广泛作用。另外，ＱＫＤ也不能解决身份识别
和数据存储安全等问题。因此，构建一个完善的ＱＫＤ系统安全及其测评体系将是ＱＫＤ得到实际 应用的重要因素，而构建一个完善的抗量子计算的新型密码理论体系将是确保未来信息安全的关键。
关键词：量子密钥分发；信息安全；密码；旁路攻击
中图分类号：ＴＮ９１８．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—５６９２（２０１４）０１－０２７－０５
Ｔｈｅ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ ａｎｄ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ＣＨＥＮ Ｈｕｉ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎ—ｚｈｅｎｇ （Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｌａｓｔ ｄｅｃａｄｅ，ｍａｎｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ＱＫＤ）ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｃｈｉｅｖｅｄ．
量子信息科学专业英语词汇
量子信息科学专业英语词汇
摘要：量子信息科学是一门研究量子物理原理在信息处理和通信领域的应用的学科，它涉及量子计算、量子通信、量子密码、量子算法、量子信息理论等方面。本文从这些方面介绍了量子信息科学专业需要用到的一些基本的英语词汇，并给出了中英文对照表和例句，以帮助读者掌握和运用这些词汇。
一、量子计算
1.1 量子计算的基本概念
中文英文
量子计算quantum computing
量子计算机quantum computer
量子比特qubit
量子逻辑门quantum logic gate
量子电路quantum circuit
量子算法quantum algorithm
量子优越性quantum supremacy
量子计算（quantum computing）是一种利用量子力学原理进行信息处理的计算方式，它可以在多个可能的状态之间同时进行运算，从而提高计算效率和能力。
量子计算机（quantum computer）是一种实现量子计算的物理设备，它由一组可操作的量子比特（qubit）组成，每个量子比特可以同时处于0和1的叠加态，而不是经典计算机中的二进制位。
量子逻辑门（quantum logic gate）是一种对量子比特进行操作的基本单元，它可以实现一些基本的逻辑功能，如非、与、或、异或等，也可以实现一些特有的量子操作，如哈达玛门、泡利门、CNOT门等。
量子电路（quantum circuit）是一种由多个量子逻辑门按照一定顺序连接而成的结构，它可以对输入的量子比特进行复杂的操作，并输出结果。
量子算法（quantum algorithm）是一种利用量子电路实现某种特定目标或问题的解决方案，它可以在某些情况下比经典算法更高效或更精确，如著名的Shor算法和Grover算法。
量子优越性（quantum supremacy）是指当一个量子计算机能够在某个特定任务上超过任何经典计算机的性能时所达到的一个里程碑，它表明了量子计算机在某些方面具有优势和潜力。
国标《量子保密通信应用基本要求》简析及应用
33
在国家的持续支持下，我国量子保密通信技术跻身全球领先地位，特别是初步构建了由“墨子号”“京沪干线”“国家广域量子保密通信骨干网络”等组成的星地一体量子保密通信网络，并成功在金融、政务等领域开展应用，为规模化推广打下坚实基础。得益于设施的前瞻部署、示范应用的良好效果，量子保密通信标准化工作也取得了较好进展。2017年6月，在工信部、中国科学院等相关部门的支持和指导下，中国通信标准化协会（CCSA）专门成立了“量子通信与信息技术特设任务组”（ST7），
成员单位包括国科量子通信网络有限公司、科大国国标《量子保密通信应用基本要求》简析及应用文 缪亚军 李明翰 王宇舟近年来，党和国家进一步要求加强量子信息领域标准化工作和量子保密通信应用，特别是2021年10月与2022年12月，中共中央、国务院分别印发《国家标准化发展纲要》《扩大内需战略规划纲要（2022－2035年）》，明确提出“加强量子信息等关键技术领域标准研究”“以需求为导向，增强国家广域量子保密通信骨干网络服务能力”等要求。盾量子技术股份有限公司等量子通信领域的创新型企业，以及国内三大电信运营商、华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司等电信领域领军企业。34数字化转型DIGITAL TRANSFORMATION特设任务组的主要任务是围绕量子通信技术、网络以及关键器件等开展标准化工作，截至2023年1月，ST7开展的标准工作包括《量子保密通信应用基本要求》等国家标准2项、《量子保密通信网络架构》等行业标准27项。国标《应用要求》基本情况2023年8月，我国正式发布首个量子保密通信国家标准《量子保密通信应用基本要求》（以下简称“国标《应用要求》”），为进一步推动量子保密通信标准化工作和应用推广提供了规范和指引，对加快培育量子信息未来产业具有重大里程碑意义。国标《应用要求》于2018年10月在ST7立项，由国科量子通信网络有限公司、中国移动通信集团有限公司、中国电信集团有限公司牵头，中国信息通信研究院、科大国盾量子技术股份有限公司等单位共同参与编制，经过五年间多轮讨论以及结合实践的不断完善，最终由全国通信标准化技术委员会（TC485）于2023年8月发布，并将于2024年3月实施。该标准是我国首个面向应用的量子保密通信标准，主要内容包括范围、规范性引用文件、术语和定义、缩略语、概述、应用基本要求、应用场景七个部分，从安全性、可扩展性、高效性、鲁棒性等方面明确了量子保密通信系统和应用的基本要求，并给出了依托量子网络开展的典型应用场景，为规模化开展量子保密通信应用提供了规范性指导。量子密钥分发网络量子密钥分发网络是量子保密通信应用不可或缺的组成部分，是其发展的前提和基础。根据国标《应用要求》，量子保密通信应用主要有两种形式——基于点对点的应用、基于量子密钥分发网络的应用。从本质上讲前者是后者的一种特殊形态，当需要为多个用户提供量子密钥生成和分发功能时，可将点对点系统扩展为基于量子密钥分发网络的多点对多点系统，以更好地满足多用户、长距离等不同应用需求。基于量子密钥分发网络的量子保密通信典型方案示意图如下。目前，我国已建成全球规模最大、技术先进、星地一体的量子密钥分发网络。根据公开信图1 基于量子密钥分发网络的量子保密通信应用方案
雪崩二极管的单光子探测及其噪声分析
基于InG aAs/InP雪崩二极管的单光子探测及其噪声分析
单光子探测器是能够进行二极管单光子级别探测的器件，逆变器很多光学技术都在追求单
光子级别的探测能力，由于这种技术包含对于少数甚至单个光子的探测的可行性
的物理过程，因此目前有很多基于这项技术[(8l的实际应用，而且目前量子密钥分
发的成功本质上是由于量子通信中的关键器件单光子探测器的单光子探测能力
[9]，因此，单光子探测技术被称为量子信息中的关键技术。除了量子密钥分发， 单光子探测还应用于其他光学领域如量子计算〔lOJ和量子物理中一些基本原理的
研究[[11]中。而且单光子探测器还成功的运用于光时域反射计【12-13]，半导体材料研
究，天文学应用中的微弱成像，单光子三维雷达成像[[14]，电器甚至还可以在利用漫
反射光谱技术的基础上进行人类脑部探测活动[’习。单光子探测器还可以用于检
测快速光信号，如使用时间相关的单光子计数[16-17]的荧光快速衰减的研究。由于 单光子探测器在很多领域的重要应用，已经有很多机构、逆变器实验室在研究该项技术，
目前已经产生了很多可用于单光子探测的器件，而一个比较理想的单光子探测器
其应该满足一下条件:
1)能以相同的效率在不同的通讯波段波长下探测光子，二极管同时在没有光子到达时
器件本身产生的噪声应该尽可能小，以保证探测器能有稳定良好的探测性能。 2)整个系统时间抖动应该尽可能小。
3)为了允许高重复频率，单光子探测器件如雪崩二极管的恢复时间也就是死时
间应该尽可能短。
4)同时二极管应该具有实用性，这样才有可能用于商业用途。
目前有很多光电器件可以用于单光子探测，比如光电倍增器PMT，雪崩光 电二极管和超导单光子探测器。
超导转变边缘传感器由运行在正常和二极管超导状态间狭窄的温度区域中的超导
膜构成，具有探测效率高、暗计数率低和时间抖动性小的优点。电器TES采用超导薄
膜作为检测器元件，在TES中，电阻将会根据温度的变化而产生突然变化。TES 偏置电压主要是由于光子入射加热装置导致，通过SQUID放大器读出的信号与
量子密钥分发误码协调算法分析
第３３卷
、 １．３３ 第ｌ２期
Ｎｏ．１２ 计算机工程
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２００７年６月
Ｊｕｎｅ ２００７
・惆【士论文・ 文章编号：１００ ４２８（２ｏ０７）１２—ｏ０２２．＿ｏ３ 文献标识码：Ａ 中图分类号；ＴＰ３９１
量子密钥分发误码协调算法分析
赵峰，王发强，郑力明，路轶群，刘缀毫
（华南师范大学信息光电子科技学院光子信息技术广东省高校重点实验室，广州５１０００６）
囊要：误码消除是量子密钥分发过程的关键技术之一。分析了奇偶一汉明单向函数纠错算法的原理，给出了对原始量子密钥进行误码协调
的步骤及表达式，对这种算法的纠错能力进行了理论和实验分析。结果显示，当原始密钥误码率为ｌｌ％时，利用该纠错技术能够完全消除
误码，且最终密钥生成效率与密钥的原始误码率直接相关。 关悯：误码协调；奇偶比较；汉明码；量子密钥分发
Ｅｒｒｏｒ Ｒｅｃ０ｎｃｉｌｉａｔｉ０ｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ＺＨＡＯ Ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｆａｑｉａｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｌｉｍｉｎｇ，ＬＵ Ｙｉｑｕｎ，ＬＩＵ Ｓｏｎｇｈａ０
（Ｌａｂ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０００６）
［Ａｂｓｔ￣！Ｅｒｒｏｒ ｒｅｃｏｎｃｉｌｉａｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｓｔｅｐ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｅｒｒｏｒ
ｒｅｃｏｎｃｉｌｉａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ，ａｎｄ ｉｔ ｇｉｖｅｓ ｓｏｍｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｉｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｉｔ Ｃａｎ ｅａｓｉｌｙ
奇偶-汉明纠错算法性能及其误码率估计仿真分析
第１４卷第２期２０１４年１月 １６７１—１８１５（２０１４）０２—０１７２—０４ 科学技术与工程 Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１４ Ｎｏ．２ Ｊａｎ．２０１４ ⑥２０１４ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ． 奇偶．汉明纠错算法性能及其误码率 估计仿真分析 井敏英赵峰 （陕西理工学院物理与电信工程学院，汉中７２３０００） 摘要量子密钥分发需要借助量子信道和经典信道共同完成，量子信道传输中不完美的装置和噪声的影响以及第三方的 窃听，使得原始密钥具有高的误码率，需要借助经典信道来进行误码协调，完成纠错。以分组纠错码中的汉明码为研究对象， 仿真分析汉明码纠错的密钥生成效率与初始误码率和不同码字长度之间的关系，同时完成误码率的估计。结果表明在误码 率较高时，使用短码，在误码率较低时，使用长码，可以提高密钥的生成效率，而误码率的高低以估计误码率为依据。 关键词量子密钥分发 汉明码 仿真分析 中图法分类号ＴＰ３０９； 文献标志码Ａ 量子密钥分配可以为异地的合法通信方提供安 全的密钥，其分配过程是基于量子力学测不准原理 和未知量子态不可克隆定理，巧妙地将需要分配的 密钥隐藏在不确定的量子过程中，从而实现了利用 公开、不安全信道传送密钥的目的 。自２０世纪 ８０年代以来，量子密钥凭借其自身的优点在很短时 间内受到了世界各国科学界、政府、军事部门的高度 关注。目前，“点到点”之间单量子比特稳定传输距 离已超过２００ ｋｍ以上 ｊ，多用户量子密钥分配网络 系统逐步完成了现场测试及示范应用 。这些研 究进展不仅证明了量子密钥实用化的可行性，同时 也展示了量子密钥分配的巨大应用前景。 由于量子比特信息在制备、传输、检测过程中不 可避免地引入一定的误码，此外，窃听者Ｅｖｅ的攻击 行为也会引入一定的误码。根据量子密钥分配协议 的最大安全误码阈限要求，当原始密钥中误码率低 于某一阈限值时通信双方可以提取出安全的密钥。 因此，原始密钥需要借助后续数据处理过程实现误 码纠错和保密增强。 通常，误码纠错需要在经典信道上多次交换校 验码信息，为了防止信息泄露，交换的校验码需要利 ２０１３年８月１２日收到 教育部科学技术研究重点项目 （２１２１７７）；陕西省科技厅自然基金 （２０１１ＪＱ１００３）；陕西省教育厅科研专项 （１２ＪＫ０９７３）和国家自然科学基金（４１１０５１０７／Ｄ０５１２）资助 第一作者简介：井敏英（１９７８一），汉族，陕西富平人，讲师，硕士研究 生。研究方向：信号处理。Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉｎｇｍｉｎｙｉｎｇ＠１６３．ｔｏｎｉ。 通信作者简介：赵峰（１９７９一），男，汉族，陕西安康人，博士，陕西 理工学院副教授，研究方向：信息传输及处理研究工作。 用“一次便笺式”进行加密，因而会等量消耗通信双 方提前共享的秘密密钥（ｓｅｃｒｅｔ ｋｅｙ）。因此，在经典 信道上交换次数越多，双方密钥一致性概率就越高， 但消耗的秘密密钥就越多，从而导致总的密钥生成 效率严重下降。 目前用于量子密钥分配后续数据处理的纠错协 议主要由二分法纠错，级联纠错，低密度奇偶校验码 纠错（ＬＤＰＣ），汉明纠错等 加Ｊ。从纠错性能方面 比较，奇偶．汉明码纠错算法的纠错效率较高。此 外，实验仿真表明，通过统计奇偶一汉明纠错过程中 的相关信息，可以实现对原始密钥误码率的准确估 计，从而降低了传统抽样方法估计误码率的统计偏 差，提高了量子密钥安全评价的准确性。从实验仿 真角度分析奇偶一汉明纠错算法的纠错性能，验证误 码率估计准确度，为量子密钥分配后续数据处理提 供可靠的数据方案。 １汉明￣－ｓｇｑ错原理 汉明码是线性分组码中纠错能力等于１的一类 码的统称，汉明纠错是在通信双发进行奇偶校验后， 发现信息不一致时利用汉明码的特性在经典信道进 行纠错。如果线性分组码同时是完备码，则校验子 的数目不多不少恰好和错误图案的数目相等，用一 个校验子指出一个错误图案即可完成纠错。二进制 汉明码ｎ和后服从以下规律 （ｎ， ）＝（２ 一１，２ 一１一ｍ） （１） 式（１）中，当后＝ｎ—ｍ，当ｍ＝３，４，５，…时，有（７， ４），（１５，１１），（３１，２６）…汉明码。汉明码是迄今为 止发现的并不多见的完备码中的一种。
基于量子密钥分配的服务初始化研究
应用研究
基于量子密钥分配的服务初始化研究
刘双庆
（解放军陆军军官学院基础部计算中心安徽合肥２３００３１）
摘要：随着量子密码学领域研究的深入，视频会议、网络游戏、股市交易等动态群组通信模型对量子组密钥提出了应用需求。为了很好地服务
这类应用，在分析传统组密钥管理方案的基础上，给出了一种两层分组分布式量子组密钥管理模型，设计了这种模型下的量子组密钥服务协议，重点
研究了协议的初始化阶段。与几种经典组密钥管理方案对比，该方案在组密钥生成和共享中效率较高，具有一定的实际意义。
关键词：组密钥量子密钥分配（ＱＫＤ）缓存池初始化
中图分类号：ＴＮ９１８．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—９４１６（２０１４）０１－００８８—０１
１量子组密钥应背景分析
量子密钥是由相互之间有传统信道和量子信道双重信道相连
的两个ＱＫＤ终端经过一系列的光学、电学过程协商得来，嵌入在
ＱＫＤ终端中的量子密钥服务模块对这些密钥进行质量、随机性、安
全性检测后，将合格的密钥送入缓存池中，提供给用户的组密钥就
来源于缓存池。
对于由多个ＱＫＤ终端组成的网络结构，根据任意两个ＱＫＤ终
端之间是否有信道相连，可以将网络结构划分为以下两种：（１）任意
两个ＱＫＤ终端之间有信道相连的网络结构；（２）存在不直接信道相
连的ＱＫＤ终端的网络结构。鉴于结构（１）是结构（２）的基础，本文选择
重点研究结构（１）中的量子组密钥初始化阶段。在结构（１）中，任意两
个ＱＫＤ终端之间有信道相连，也就是说，任意两个ＱＫＤ终端可以协
商出一致的密钥，这些密钥都存放在ＱＫＤ终端下缓存池的相应位
置中。
２量子组播密钥服务模型
结合量子组密钥服务的应用背景，集上文分析的３种传统组
密钥服务方式之长，我们设计出一种适用于量子组密钥服务条
件下的两层分组分布式方案。仍然４个ＱＫＤ终端两两相连的结构
为例，假设ＱＫＤ１下的用户Ａ１、Ａ２、Ａ３，ＱＫＤ２下的用户Ｂ１、Ｂ２，