论文部分内容阅读
摘 要:本文詳细比较了基于相位编码量子密钥分发系统的各种相位补偿方法,对目前提高相位编码相位稳定性的方法进行了总结,并对利用有效提高相位编码量子密钥分发系统相位稳定性的方法进行了分析和展望。
关键词:量子密钥分发相位补偿相位漂移系统稳定性
中图分类号:TN918 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0100-01
1 引言
量子密钥分发系统为信息安全领域提供了一种理想的密钥分发方案,第一个量子密钥分发协议于1984年由Bennett和Brassard提出[1],其实验可行性验证被Bennett及其合作者们于1992年首次完成[2]。目前,基于相位编码的量子密钥分发系统碰到的一个重要的问题是由于外界环境对光纤干涉环的影响,使得系统的稳定性受到了不同程度的影响,因此利用光学结构以及相关的稳定补偿技术来提高系统稳定性的研究被广泛关注。
2 相位编码量子密钥分发系统稳定性研究
相位编码量子密钥分发系统是基于光纤干涉仪进行操作的。常见的相位编码量子密钥分发系统有基于双麦克尔逊-曾德尔(M-Z)干涉仪的相位编码系统,即插即用相位编码系统,以及差分相位编码系统(DPS,Differential Phase Shift)等[3]。由于通信双方的光纤干涉环受到外界温度和震动等因素的影响,使得干涉输出的相位稳定性受到了较大影响。因此在接收端检测干涉叠加相位时,由于外界因素引起的相位漂移使得系统无法正常检出密钥信息。
为了克服相位漂移的影响,几种可以补偿相位漂移的方法被提出并得到了广泛的研究。其中最有前途的一种方案是基于自补偿光纤干涉系统的方案,这种方案以即插即用系统[4]和中国科技大学郭光灿院士小组提出的双法拉第-麦克尔逊干涉仪结构[5]为典型代表。这种方案是量子密钥分发系统最终获得良好应用的最优方案,但是目前还需要进一步深入研究。另一类方法是利用某种手段获得相位漂移参数并采用相位调制实时补偿的方法进行系统相位漂移的补偿。这种方法包括获取动态相位漂移参数和实时补偿两个阶段。在获取动态相位漂移参数的阶段,主要有通过强激光参考脉冲的方法[6],通过单光子水平扫描的方法[7-9]等。利用强参考光脉冲的方法获取动态相位漂移参数会增加系统硬件的复杂度,并且会在一定程度上对量子信号光引入干扰。利用单光子水平扫描的方法对量子密钥分发技术的应用有较大的实用价值。在单光子水平扫描时,需要进行足够多的光子脉冲的累积计数才能够利用光子计数的统计性获得单光子干涉曲线,进一步获取动态扫描参数,因此逐点扫描的方法有一定的限制。文献[8]利用每个周期取12个扫描点获取粗动态参数,并且在此基础上通过262个单光子概率幅脉冲的累积计数进一步提高扫描精度,该方案可以在较短的时间内获得动态相位漂移参数。文献[9]在这些工作的基础上,进一步提出了利用五点法获得动态扫描参数,进一步减小了获取动态相位漂移参数的时间长度。值得一提的是,在进行单光子水平动态扫描参数的同时,必须要求系统进行足够的被动补偿,使得相位漂移的速度减缓,以便可以进行有效的动态相位漂移参数的获取和提高密钥分发占空比。
3 结语
在目前的几种相位漂移的补偿方法中,引入强参考光的方法由于存在增加系统硬件复杂度和对量子信号光引入干扰的问题,所以在实际应用中较少采用此方法。在单光子水平下进行高效的扫描和补偿是目前一般实际应用系统采取的主流方法,同时需要先对系统进行足够的被动补偿,使得相位漂移的速度减小到可以接受的程度。尽管如此,不管主被动相位补偿的方法如何高效,却无法完全避免相位不稳定性带来的影响,因此基于自补偿相位漂移的量子密钥分发光学方案仍旧是解决该问题最好的研究方向和趋势。
参考文献
[1] C.H.Bennett,G.Brassard.Quantum Cryptography:Public Key Distribution and Coin Tossing [C].Proceedings of the IEEE,1984:175.
[2] C.H.Bennett.Quantum cryptography using any two nonorthogonal states[J]. Phys.Rev.Lett,1992,68:3121.
[3] K.Inoue,E.Waks and Y.Yamamoto. Differential phase shift quantum key distribution [J].Phys.Rev.Lett,2002,89:037902.
[4] G. Ribordy,J.-D.Gautier,N.Gisin,et al.Automated plug & play quantum key distribution[J].Electron.Lett,1998,34:2116.
[5] X F Mo,B Zhu,Z F Han,et al.Faraday-Michelson system for quantum cryptography[J].Optics Lett,2005,30(19):2632.
[6] Z L Yuan and A J Shields,Continuous operation of a one-way quantum key distribution system over installed telecom fibre[J].Optics Express,2005,13(2):660.
[7] W Chen,H Z Fu,X F Mo,et al.Active phase compensation of quantum key distribution system,Chinese Science Bulletin,2008,53(9):1310.
[8] 王金东,秦晓娟,魏正军等.一种高效量子密钥分发系统主动相位补偿方法,物理学报,2010,59(1):281.
[9] V Makarov,A Brylevski and D R Hjelme,Real-time phase tracking in single-photon interferometers,Applies Optics, 2004,43(22):4385.
关键词:量子密钥分发相位补偿相位漂移系统稳定性
中图分类号:TN918 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0100-01
1 引言
量子密钥分发系统为信息安全领域提供了一种理想的密钥分发方案,第一个量子密钥分发协议于1984年由Bennett和Brassard提出[1],其实验可行性验证被Bennett及其合作者们于1992年首次完成[2]。目前,基于相位编码的量子密钥分发系统碰到的一个重要的问题是由于外界环境对光纤干涉环的影响,使得系统的稳定性受到了不同程度的影响,因此利用光学结构以及相关的稳定补偿技术来提高系统稳定性的研究被广泛关注。
2 相位编码量子密钥分发系统稳定性研究
相位编码量子密钥分发系统是基于光纤干涉仪进行操作的。常见的相位编码量子密钥分发系统有基于双麦克尔逊-曾德尔(M-Z)干涉仪的相位编码系统,即插即用相位编码系统,以及差分相位编码系统(DPS,Differential Phase Shift)等[3]。由于通信双方的光纤干涉环受到外界温度和震动等因素的影响,使得干涉输出的相位稳定性受到了较大影响。因此在接收端检测干涉叠加相位时,由于外界因素引起的相位漂移使得系统无法正常检出密钥信息。
为了克服相位漂移的影响,几种可以补偿相位漂移的方法被提出并得到了广泛的研究。其中最有前途的一种方案是基于自补偿光纤干涉系统的方案,这种方案以即插即用系统[4]和中国科技大学郭光灿院士小组提出的双法拉第-麦克尔逊干涉仪结构[5]为典型代表。这种方案是量子密钥分发系统最终获得良好应用的最优方案,但是目前还需要进一步深入研究。另一类方法是利用某种手段获得相位漂移参数并采用相位调制实时补偿的方法进行系统相位漂移的补偿。这种方法包括获取动态相位漂移参数和实时补偿两个阶段。在获取动态相位漂移参数的阶段,主要有通过强激光参考脉冲的方法[6],通过单光子水平扫描的方法[7-9]等。利用强参考光脉冲的方法获取动态相位漂移参数会增加系统硬件的复杂度,并且会在一定程度上对量子信号光引入干扰。利用单光子水平扫描的方法对量子密钥分发技术的应用有较大的实用价值。在单光子水平扫描时,需要进行足够多的光子脉冲的累积计数才能够利用光子计数的统计性获得单光子干涉曲线,进一步获取动态扫描参数,因此逐点扫描的方法有一定的限制。文献[8]利用每个周期取12个扫描点获取粗动态参数,并且在此基础上通过262个单光子概率幅脉冲的累积计数进一步提高扫描精度,该方案可以在较短的时间内获得动态相位漂移参数。文献[9]在这些工作的基础上,进一步提出了利用五点法获得动态扫描参数,进一步减小了获取动态相位漂移参数的时间长度。值得一提的是,在进行单光子水平动态扫描参数的同时,必须要求系统进行足够的被动补偿,使得相位漂移的速度减缓,以便可以进行有效的动态相位漂移参数的获取和提高密钥分发占空比。
3 结语
在目前的几种相位漂移的补偿方法中,引入强参考光的方法由于存在增加系统硬件复杂度和对量子信号光引入干扰的问题,所以在实际应用中较少采用此方法。在单光子水平下进行高效的扫描和补偿是目前一般实际应用系统采取的主流方法,同时需要先对系统进行足够的被动补偿,使得相位漂移的速度减小到可以接受的程度。尽管如此,不管主被动相位补偿的方法如何高效,却无法完全避免相位不稳定性带来的影响,因此基于自补偿相位漂移的量子密钥分发光学方案仍旧是解决该问题最好的研究方向和趋势。
参考文献
[1] C.H.Bennett,G.Brassard.Quantum Cryptography:Public Key Distribution and Coin Tossing [C].Proceedings of the IEEE,1984:175.
[2] C.H.Bennett.Quantum cryptography using any two nonorthogonal states[J]. Phys.Rev.Lett,1992,68:3121.
[3] K.Inoue,E.Waks and Y.Yamamoto. Differential phase shift quantum key distribution [J].Phys.Rev.Lett,2002,89:037902.
[4] G. Ribordy,J.-D.Gautier,N.Gisin,et al.Automated plug & play quantum key distribution[J].Electron.Lett,1998,34:2116.
[5] X F Mo,B Zhu,Z F Han,et al.Faraday-Michelson system for quantum cryptography[J].Optics Lett,2005,30(19):2632.
[6] Z L Yuan and A J Shields,Continuous operation of a one-way quantum key distribution system over installed telecom fibre[J].Optics Express,2005,13(2):660.
[7] W Chen,H Z Fu,X F Mo,et al.Active phase compensation of quantum key distribution system,Chinese Science Bulletin,2008,53(9):1310.
[8] 王金东,秦晓娟,魏正军等.一种高效量子密钥分发系统主动相位补偿方法,物理学报,2010,59(1):281.
[9] V Makarov,A Brylevski and D R Hjelme,Real-time phase tracking in single-photon interferometers,Applies Optics, 2004,43(22):4385.