量子密码是量子理论和密钥学相结合的产物,是量子保密通信的重要组成部分。量子秘密共 享(Quantum secret sharing, QSS) 是量子密码的核心内容之一,它可以在不完全信任的通信双方间传递密钥,引起了国内外研究人员的高度关注。提出了一种基于诱骗态的BB84协议的量子秘密共享方案。Alice先产生一系列的弱相干脉冲串,并对该脉冲串进行偏振调制,然后通过分束 器分成两束,再分别对这两束脉冲通过诱骗态调制器进行强度调制后,分别发送给Bob和Charlie; Bob和Charlie 分别对发送过的脉冲进行测量并公 布结果,随后三方通过经典信道进行对基,通过协商和私密放大获得最终的安全的密钥。方案减少了量子比特产生器和测量器的数量,降低了 量子通信的费用,为量子秘密共享实用化提供了一种可参考的方法。

基于时分复用技术,采用一个单光子探测器(SPD)设计了基于BB84协议的 量子密钥分发(QKD)系统。 在接收端不同偏振态信号光的光路上依次增加6 m的延时光纤,使得不同偏振态信号光到达SPD的时间相应地依次相 差30 ns。在信号光与同步光精准同步的前提下,接收端对不同偏振态信号光的探测门进行编号, SPD在不同编号的 探测门处探测相应的偏振态光子。安全分析表明该QKD系统能够经受窃听者采取的截取-重发攻击,确保通信安全可 靠。该QKD系统成功应用于520 m的QKD实验,成码率为4.00 kbps, 误码率为1.5%。

研究了具有优秀安全性的PBC00协议。为了便于制备偏振态与实现协议, 将PBC00协议的偏振态改为|1〉、|0〉和|+〉。为了分析协议的安全性, 假设窃听者使用截获重发的方式对量子密钥分发(QKD)过程进行窃听, 分析了窃听者可能使用的测量基矢, 计算得出由窃听者引起的密钥错误率。介绍了以BKM07协议为基础的改动后的三量子态QKD方案, 分析了其安全性。研究结果表明, 改动后的PBC00协议具有更好的发现窃听者的能力, 且易于实现, 具有实际应用的潜力。

针对采用偏振编码的卫星量子通信中的偏振保持问题,研究了大气散射和卫星与地面站间相对 运动对量子偏振态相位和对准的具体影响。仿真分析了量子偏振态相位延迟和对准误差对系统量子误码 率的影响,提出了一种新的BB84协议与半波片旋转相结合的偏振补偿方案。该方案通过对准提前量补偿的 加入弥补原有补偿方案补偿过程中不能进行通信的缺陷,可基本实现零角度偏振误差,保证卫星量子通 信的安全可靠性,且因该方案仅需在原有系统上添加一个半波片,易于实现。

基于BB84协议,利用挑战-应答机制,提出了一种量子密钥分发协议。发送 方Alice和接收方Bob通过安全信道共享三个不同的Hash函数(H1,H2和H3), 以及随机比特串SAB0。 在每次密钥分发时,Alice产生随机比特串SAr(挑战信息)和SAk(密钥),结合H1和SAB0,基 于BB84协议产生光子串SAp; Alice将SAr和SAp发送给Bob,Bob接收 到对应的SBr和光子串SBp; Bob利用SBr,结合H1和SAB0,基于 BB84协议对光子串SBp进行测量得到SBk。理想情况下共享密钥SAr=SBr。 另外,Bob利用SBr,SBk,SAB0及H2产生应答序列SB2; Alice和Bob利用各 自拥有的序列及H3分别产生序列S~A0和S~B0,并对各 自的SAB0做更新。在密钥分发过程中光子的利用率为100%,该协议既有BB84协议类似的安全性,又有单向身份认证功能。

为了改善BB84协议防窃听的能力,在BB84协议的基础上提出用M(M=3,4,5…)对量子态实现量子密钥分配。为了检测其安全性,用截获-重发的方式对量子密钥分配过程进行窃听,窃听者分别采用两种检测光子状态的方法:在M组基中随机选取一种基和用Breidbart基测量,并在这两种窃听方法下分别通过计算机仿真探究M值与安全性能的关系。仿真结果表明:用多对量子态实现量子密钥分配时,发现窃听者的能力与BB84协议相同,而窃听者可以获取的正确信息要比窃听BB84协议获取的正确信息少。从而提高了量子密钥分配的安全性。

为寻找当前量子技术在实际系统中应用的切入点, 文章研究并分析了当前量子通信的主要技术, 特别对QKD(量子密钥分配)相关协议发展过程及成熟度进行了理论分析。考虑到现有量子器件技术的制约, 总结出基于诱骗态的BB84协议是当前最成熟的QKD协议, 量子安全直接通信、量子离物传态等技术是量子通信发展的方向。

我们给出最优ARSC是对标准BB84方案的最优个体窃听分析。基于量子克隆的个体窃听，说明在由Csiszár和Krner定理的密钥产生率的两个充分条件中，其中一个可以作为最好的充分条件。

提出一种新的相位编码方案,使用差分和高效BB84协议实现量子密钥分发.在保留差分编码优势的同时,此方案进一步增加系统的安全性.Alice端随机选择{0,π/2,π,3π/2}中的相位对信号脉冲进行调制,Bob端随机选择{0,π/2}中的相位对信号脉冲进行调制.为了提高成码率和简化系统,以η(η→1)的概率选取{0,π} 基对相位进行调制,此时系统运行差分编码,用于生成密钥;以(1-η)的概率选取{π/2,3π/2}基中的相位对脉冲信号进行调制.{π/2,3π/2}基的选用是为了增加系统维度和进行安全性评估,不用于生成密钥.设计相应的系统,利用微弱相干光脉冲在该新协议下进行编码,在接收端采用法拉第-迈克尔逊方式进行解码,在实验上实现了长期稳定的密钥分发,误码率＜5%,传输距离达85 km.

BB84协议采用四种极化态来进行密钥分发，但在传输的过程中极化态受磁光效应的影响将会发生一定角度的偏转，这将对密钥分发产生非常不利的影响，因此为了顺利得进行量子密钥分发，必须要维持极化态。首先简要介绍了BB84模型以及模型中使用的四种极化态，然后分析了极化态偏转后对量子密钥分发的影响，同时用Matlab进行了仿真，结果表明严重情况下磁光效应将会使通信双方持有的原始密钥不一致。最后给出了一种可行的解决方案。