[发明专利]一种基于预报单光子光源的相位匹配量子密钥分发方法

说明书

本发明公开了一种基于预报单光子光源的相位匹配量子密钥分发方法，发明将预报单光子光源作为通信双方Alice和Bob的信号光源，然后Alice和Bob对光源输出的信号脉冲各自进行密钥编码，并将编码后的信号脉冲传输到第三方Charlie处(Charlie可以是窃听者)，在Charlie公布有效干涉下探测器的结果基础上，Alice和Bob获得筛选密钥，再通过协商和秘密放大，Alice和Bob间可获得安全密钥，本发明有效提高相位匹配量子密钥分发协议的密钥率和通信距离，同时具有结构简单、实现便捷的优点，适合于相位匹配量子密钥分发协议应用于实际远距离和高质量通信，有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于预报单光子光源的相位匹配量子密钥分发方法，属于量子密钥分发领域。

背景技术

1969年，美国哥伦比亚大学的量子通信研究者Wiesner首次提出了“量子钞票”的概念，这是物理学史上第一次将量子力学的原理引入到通信领域，也是“量子加密”的概念第一次出现在大众面前，但由于当时科技水平以及实验条件等诸多原因导致这种新颖的想法并没有得到认可。1979年，Wiesner同好友Bennett再一次提起了“量子钞票”这一想法，Bennett对这一新颖的概念表现出强烈的好奇心并开始对其在通信领域的应用进行深入的研究，进而意识到量子力学在信息传输上的应用比在存储方面的应用更为重要。经过数年不懈的研究，1984年，Bennett与Brassard一起提出了经典的BB84协议，该协议是量子通信史上的第一个无条件安全的量子密钥分发协议，BB84协议的提出及实验的实现引起了一大波学者对量子密钥分发协议的研究，1991年，英国牛津大学的Artur Eckert教授以EPR纠缠对为理论基础，深入研究两个粒子之间最大的纠缠态，提出了基于两个量子纠缠态的QKD协议——EPR协议(又称之为E91协议)。1992年，Bennett又在前人的基础之上提出一种简单高效的量子密钥分发协议，该协议以非正交的量子态为基础，被后人称之为B92协议，而后又根据不等臂长的Mach-Zehnder干涉仪的特殊结构提出采用相位编码方案的量子密钥分发协议。BB84协议的提出以及随后提出的E91协议和B92协议奠定了量子密钥分发的理论基础，各国的学者对量子密钥分发协议的研究都是在以上理论的基础之上逐步优化协议，进而提出更高效实用性更好的协议。

提高成码率和传输距离是QKD面临的两个很重要但是非常具有挑战性的问题。尽管量子密钥分发已经取得了在令人印象深刻的发展，各种分发协议都取得了重大成果，如2012年的设备测量无关协议和2014年的循环差分相移协议，为QKD的实用做出了巨大贡献。但是在QKD中有个著名的密钥率公式R≤-log₂(1-η)，R为密钥生成率，η为信道传输率，之前提出的任何协议最终密钥生成率都有这个线性限制，始终不能突破。在2018年5月，《Nature》刊登一篇量子密钥分发的理论文章《Overcoming the rate-distance limit ofquantum key distribution without quantum repeaters》。TF-QKD在保证密钥安全的条件下突破了以前量子密钥分发协议的rate-distance的极限，引起了很大的轰动。随后基于TF-QKD提出了相位匹配量子密钥分发PM-QKD，在PM-QKD中，Alice和Bob各自准备相位随机的相干脉冲发送给不可信的第三方Charlie，Charlie做干涉检测记录探测器的相应结果，然后Alice和Bob通过后选择匹配脉冲的相位。仿真结果表明PM-QKD的密钥率同样能突破密钥生成率的线性限制。

发明内容