CN116055034B - 一种量子存储器及基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其中Alice和Bob为进行通信的合法用户，Charlie为不可信任的第三方。Alice或Bob将携带不同量子态的光脉冲发送给Charlie；Charlie拥有量子存储器，并对首先到达的光脉冲进行存储；当来自于Alice和Bob的两个光脉冲均到达后，Charlie将此前存储的光脉冲从量子存储器中释放出来，并执行贝尔态测量。通过这种方法，解决了普通方案中双光子符合计数率低的问题；同时通过结合诱骗态方法，解决了多光子的安全性问题，进而提升系统的实际性能。与普通的测量设备无关量子密钥分发方法相比，新方案的密钥率提升了几个量级。
Description
技术领域
本发明属于量子通信、量子信息技术等领域，具体涉及一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，本方案可以很好的提高QKD系统的性能。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)可以为通信的双方提供安全的密钥。不同于传统的基于计算复杂度的密码系统，QKD的安全性建立在量子力学定律的基础上，并且已在数学上被严格证明。近年来，由于量子计算机的飞速发展，现有的密码系统受到严峻挑战，QKD能够为信息提供更高等级的安全保障，因而引起人们广泛关注。目前为止，科学家已提出许多不同的协议，比如：BB84协议、E91协议、BBM92协议、测量设备无关(MDI)协议、双场(TF)协议等。在这些协议中，MDI QKD协议在安全性和实用性方面达到较好的平衡。
在MDI QKD协议中，一般包括两个合法的用户，通常称之为Alice和Bob。协议中，Alice和Bob将制备量子态发送给第三方Charlie，Charlie执行贝尔态测量BSM并公布测量结果，Alice和Bob可以根据Charlie公布的测量结果来推断对方发送的比特信息，进而共享安全密钥。在该过程中，没有对测量端Charlie做任何假设，即Charlie可以是不受信任的第三方，因而MDI QKD协议可以免疫所有针对于测量端的攻击手段，例如：致盲攻击、时移攻击和相移攻击，因而具有良好的安全性。
不过现有的MDI QKD协议存在安全密钥率低、抗信道衰减能力差等缺点，主要由于该类协议基于双光子干涉，即要求两个独立的发射端Alice和Bob发射的单光子脉冲同时达到第三方测量端Charlie，且成功完成贝尔态测量BSM之后才能生成密钥。由于信道损耗，两个独立的单光子脉冲同时达到第三方测量端Charlie的概率很低，导致密钥率产生率低。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有方案的不足，提出了一种基于量子存储器QM的测量设备无关量子密钥分发方法，该方案使用标记单光子光源替代弱相干光源(WCS)，与弱相干光源相比较，标记单光子源的优点在于其单光子脉冲占比更高，并且可以根据闲置光在本地探测器的响应情况来标记信号光的情况。同时，本方案采取的诱骗态方法提升了面对多光子分束(PNS)攻击时MDI QKD系统的抗性。本方案引入的量子存储器QM能够大幅度提升了双光子符合计数率，降低了双光子干涉的实现难度，进而实现了MDI QKD系统性能的提升。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于量子存储器QM的测量设备无关量子密钥分发方法，一方面本方案使用自发参量下转换过程产生的标记单光子源HSPS作为光源，与弱相干态光源对比，标记单光子源的真空脉冲占比更低，在高衰减信道上更有优势，而且能根据本地探测器的响应情况来标记信号光的到达第三方Charlie的情况；本方案采取的诱骗态方法，降低了原本实际设备中可能存在PNS的漏洞；另一方面，本方案在实现MDI QKD双光子干涉上，引入了量子存储器QM，实现了双光子符合计数率的提升，进而提升了系统性能。
发明内容：为实现上述技术效果，本发明提出一种量子存储器及基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，该方案建立了基于量子存储器QM的测量设备无关量子密钥分发的数学模型，使得以往较低的双光子符合计数率得到提高，从而提升MDI QKD的系统性能。
本发明的一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，主要包括Alice、Bob和Charlie三方参与，其中Alice和Bob为进行通信的合法用户，Charlie为不可信任的第三方，所述方法是一种使用量子存储器QM的诱骗态测量设备无关量子密钥分发方法，并构建了相应的数学模型，与现有的测量设备无关量子密钥分发方法相比，本方案的密钥率得到明显提升。
本发明的一种量子存储器，用于对首先到达的光脉冲进行存储，当来自于Alice和Bob的两个光脉冲均到达后，再将此前存储的光脉冲释放出来；
先到达量子存储器QM的光脉冲偏振是|H>，到达PBS后，经透射到达第一反射镜或第二反射镜，反射后的光脉冲经普克尔斯盒PC后，普克尔斯盒PC使得光脉冲的偏振变化为|V>，再经另一反射镜后回到PBS，经PBS反射到达第一反射镜或第二反射镜，一直在QM内部循环，当来自于Alice和Bob的两个光脉冲均到达后，普克尔斯盒PC使得先到达的光脉冲的偏振再变化为|H>，从PBS透射出去，离开QM。
本发明的一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法所述方法，所述量子存储是基于本发明中提及的量子存储器，所述方法包括如下步骤：
步骤1，Alice和Bob分别独立产生三种不同强度的光脉冲，即μ，ν，0,光脉冲偏振方向均是|H>，制备N个双模光子对，并束为闲置光I和信号光S，即标记单光子源HSPS；
Alice和Bob分别将信号光S送入编码模块，闲置光I送入本地探测器探测后用于标记。
步骤2，编码模块将信号光S编码成四种时间戳-相位量子态：
|e>、|l>、或/>然后分别发送给第三方Charlie；本发明中第三方Charlie为不受信任的第三方；
其中，|e>、|l>定义为Z基态，定义为X基态；
步骤3，当Alice或Bob的本地探测器有一个响应，代表其对应标记的信号光脉冲到达Charlie端，此时Charlie将提前到达的光脉冲存入量子存储器QM中；
当Alice和Bob的本地探测器都响应时，代表两个光子都到达Charlie端，此时Charlie将此前存储的光脉冲从量子存储器QM中释放出来，使其进入贝尔态测量BSM模块。
量子存储器QM作用是将先到达的光脉冲存储一段时间，等到两个标记探测器同时响应时才放出存储的光脉冲，使得来自Alice和Bob的两个光脉冲同时到达贝尔态测量BSM模块，从而提高双光子符合计数率步骤4，Charlie对接收到的双光子脉冲执行贝尔态测量BSM操作，并公布测量结果。
步骤5，Alice和Bob公布自己使用的基矢，根据Charlie公布的测量结果，结合三强度诱骗态方法估计成功事件中单光子脉冲对的计数率和误码率；
步骤6，Alice和Bob执行纠错和保密放大等后处理操作，生成最终的安全密钥。
进一步的，贝尔态测量BSM模块包括分束器BS和两个探测器，来自量子存储器QM的两束光脉冲分别到经分束器BS后，分别到达对应的探测器；Charlie端口的两个探测器上各自开两个时间窗口进行响应监控，这里将对应于Di探测器的第t个时间窗口记为t∈(e,l)。
进一步的，步骤4中Charlie对接收到的双光子脉冲执行贝尔态测量BSM操作，并公布测量结果；这里采用的是时间戳编码的方式，所述测量结果是指，投影到贝尔态上的事件，其中/>
进一步的，步骤5中，Alice和Bob公布自己使用的基矢，根据Charlie公布的测量结果，结合三强度诱骗态方法估计成功事件中单光子脉冲对的计数率和误码率：
其中，和/>分别是由Alice和Bob发送强度r光子数为n的光脉冲的概率，n＝1或2，/>和/>为K基下Alice和Bob发送强度为r和l的光脉冲的平均增益上或下界，K∈(Z,X)，r,l∈{μ,v,0}，μ，v，0分别代表信号光强度和两种不同的诱骗态强度，/>和/>为K基下Alice和Bob发送强度为r和l的光脉冲的量子比特误码率上或下界。/>是强度为r的空计数增益。
进一步的，步骤6，Alice和Bob生成最终的安全密钥，安全密钥率公式如下：
这里，分别代表Z基下单光子脉冲对的计数率下界和X基下单光子误码率上界，/>分别代表Z基下Alice和Bob同时发送信号态强度为μ的光脉冲所产生平均增益和平均误码率，f为纠错系数，H表示香农熵。
进一步的，当Alice和Bob分别发送包含kA和kB个光子的光脉冲，被Charlie存储到量子存储器QM并释放到贝尔态测量BSM模块中，此时的成功概率表示为：
其中，Pl(k|j)代表一个标记单光子源HSPS在第j个时隙产生k个光子数的概率，Pe(k|j)代表一个标记单光子源HSPS在前第j-1个时隙至少产生1个光子，而在第j个时隙产生k个光子的概率。
进一步的，在进行安全密钥率的计算方案中，由于引入了量子存储器QM的成功概率相关的参数计算与传统MDI QKD方案也会有所差异。
在Z基中，定义成功事件是Alice和Bob发出不同的时间戳态|el>或|le>，错误事件是双方发相同时间戳态|ee>或|ll>；而X基中，成功事件对应于Alice和Bob发出相同时间态|++>或|-->且探测到贝尔态即/>或/>或者Alice和Bob发出正交偏振态|+->或|-+>且探测到贝尔态/>即/>或/>其余均为错误事件。本方案中，在计算响应增益的时候需要结合量子存储器QM成功释放脉冲的概率。
在K基下当Alice和Bob在发送强度为r和l的光脉冲时，发送kA和kB光子数的误码率和计数率/>
其中，为探测端响应概率，/>为K基下Alice和Bob的错误投影概率，与之对应的/>为正确投影概率。这里的探测端响应概率为:
其中，dc表示探测器的暗记数。
由此，式中有关的量子态增益和量子比特误码/>如下表示：
本发明的有益效果为：本发明采用基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，并且与基于弱相干光源的三强度诱骗态测量设备无关量子密钥分发协议方案(WCSMDI-QKD)和基于标记单光子源的三强度诱骗态测量设备无关量子密钥分发协议方案(标记单光子源HSPS MDI-QKD)进行了比较。在提出的基于量子存储器QM的测量设备无关量子密钥分发协议的方案中，引入了量子存储器QM，并构建了对应的数学模型。当Alice或Bob发射的光脉冲到达Charlie，在执行贝尔态测量BSM之前，先存入量子存储器QM，直到Alice和Bob的本地探测器同时响应，才放出量子存储器中的两个光脉冲并执行贝尔态测量BSM，实现将来自Alice和Bob的光子同步化，从而提高双光子符合计数率。此外，诱骗态方法的引入使得系统能够更好地抵御PNS攻击，防止信息泄露的潜在威胁，标记单光子源HSPS提高了单光子占比又能有效标记信号光的情况。仿真结果表明，随着量子存储器QM效率的提高以及存储轮数恰当的选择，提出的基于量子存储器QM的测量设备无关量子密钥分发协议的方案的无论是安全密钥率还是抗信道衰减能力都要明显优于其他两种不引入量子存储器的MDI QKD方案包括：WCS MDI-QKD和标记单光子源HSPS MDI-QKD。
附图说明
图1是本发明方案的实验结构示意图。
图2是使用三种不同方案的密钥率随信道衰减变化曲线的对比图。
图3是本发明中量子存储器存储轮数与密钥率的变化曲线图。
图4是本发明中使用量子存储器存入和读出量子态的保真度与系统性能的变化曲线图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，光源制备
如图1所示，Alice和Bob分别独立使用激光器泵浦非线性晶体NC产生自发参量下转换过程，现结合强度调制器IM产生三种不同强度的参量光，即μ，v，0,制备N个双模光子对，并使用二向色镜DM对参量光的两个模式进行分束，分别对应于闲置光模式I和信号光模式S，即标记单光子源HSPS。Alice和Bob分别将信号光S模式送入编码模块，闲置光I模式送入本地探测器探测后用于标记。
步骤2，量子态编码
Alice和Bob分别将信号光送入图1中Encoding模块里的MZ干涉环，经过该环的光脉冲出射后分为前后两个子脉冲，使用光强调制器去除前子脉冲或后子脉冲，分别产生|e>、|l>两个量子态，再使用相位调制器在前脉冲或后脉冲上加载位相π，分别编码成另外两个量子态：和/>其中|e>、|l>定义为Z基态， 定义为X基态，然后分别发送给不受信任的第三方Charlie；
步骤3，量子态存储
如图1所示，当Alice或Bob的本地探测器有一个响应，代表其对应标记的信号光脉冲到达Charlie端，此时Charlie将提前到达的光脉冲存入量子存储器QM中；
当Alice和Bob的本地探测器都响应时，代表两个光子都到达Charlie端，此时Charlie将此前存储的光脉冲从量子存储器QM中释放出来，使其进入贝尔态测量BSM模块。以确保来自Alice和Bob的两个光子态可以同时到达贝尔态测量BSM模块。
具体的，Charlie端包括贝尔态测量BSM模块、量子存储器QM、第一环形器(Cir)和第二环形器(Cir)，Alice的光脉冲经第一环形器到达量子存储器QM存储，Bob的光脉冲经第二环形器到达量子存储器QM存储，当需要释放时，量子存储器QM中存储的光脉冲分别经第一环形器和第二环形器到达贝尔态测量BSM模块。
量子存储器QM包括普克尔斯盒PC、PBS、第一反射镜和第二反射镜，组成的Sagnac环结构，普克尔斯盒PC位于两个反射镜连线的中心；先到达QM的光脉冲偏振是|H>，首先到达PBS后，经透射到达第一反射镜或第二反射镜，反射后的光脉冲经普克尔斯盒PC，FPGA发电压触发普克尔斯盒PC使得光脉冲的偏振变化为|V>，再经另一反射镜后回到PBS，由于光脉冲的偏振已变化为|V>，所以经PBS后不能透射，只能再次反射到达第一反射镜或第二反射镜。一直在QM内部循环，当Alice和Bob的本地探测器都响应时，表明来自于Alice和Bob的两个光脉冲均到达，FPGA发电压触发普克尔斯盒PC使得先到达的光脉冲的偏振再变化为|H>，从而可以从PBS透射出去，离开QM。
贝尔态测量BSM模块包括分束器BS和两个探测器，来自量子存储器QM的两束光脉冲分别到经分束器BS后，分别到达对应的探测器；Charlie端口的两个探测器上各自开两个时间窗口进行响应监控，这里将对应于Di探测器的第t个时间窗口记为t∈(e,l)。
当Alice和Bob分别发送包含kA和kB个光子的光脉冲，被Charlie存储到量子存储器QM并释放到贝尔态测量BSM模块中，此时同步产生单光子的成功概率可表示为：
其中，Pl(k|j)代表一个标记单光子源HSPS在第j个时隙产生k个光子数的概率，Pe(k|j)代表一个标记单光子源HSPS在前第j-1个时隙至少产生1个光子，而在第j个时隙产生k个光子的概率。
此外，由于量子存储器QM本身可能会产生误差，还要考虑进出态的保真度对于系统性能的影响，Z基下的保真度FZ与X基下的保真度FX表示如下：
其中，ed和eBG分别代表本底误码以及由于暗记数引发的成功探测概率。
通常情况下，由于eBG的影响可以被忽略，所以简化得到：
F＝FX＝FZ＝1-ed。
步骤4，量子态探测
Charlie对进入图1中贝尔态测量BSM模块的双光子脉冲执行贝尔态测量BSM操作，并公布测量结果。这里采用的是时间戳编码的方式，所述测量结果是指，投影到贝尔态上的事件，其中/>即在对应时间窗口上响应，包括：/>
步骤5，参数估计
Alice和Bob公布自己使用的基矢，根据Charlie公布的测量结果，结合三强度诱骗态方法估计成功事件中单光子脉冲对的计数率和误码率。
其中，和/>为K基下Alice和Bob分别发送强度为r和l的光脉冲的平均增益上界或下界，r,l∈{μ,v,0}，K∈(Z,X)，μ，v，0分别代表信号光强度和两种不同的诱骗态强度，和/>为K基下Alice和Bob发送强度为r和l的光脉冲的量子比特误码率上或下界。/>是相关光子态r的空计数增益。在参数估计时，使用了切尔诺夫界来刻画统计起伏的影响；
XL＝X-Δ1≤X≤XU＝X+Δ2
其中，ε表示在统计结构分析中所考虑的安全界限。
步骤6，参数后处理
Alice和Bob使用纠错和保密放大过程生成最终的安全密钥。安全密钥率公式如下：
这里，分别代表Z基下单光子脉冲对的计数率下界和X基下单光子误码率上界，/>分别代表Z基下Alice和Bob同时发送信号态强度为μ的光脉冲所产生平均增益和平均误码率，f为纠错系数。
在进行安全密钥率的计算方案中，由于引入了量子存储器QM的成功概率相关的计算与传统的MDI QKD有所差异。在Z基中，定义正确事件是Alice和Bob发出不同时间戳态|el>或|le>，错误事件是双方发相同时间戳态|ee>或|ll>。而X基中，正确事件对应于Alice和Bob发出相同时间戳态|++>或|-->且在Charlie端探测到/>即/>或或者Alice和Bob发出不同时间戳态|+->或|-+>且在Charlie端探测到/>即或/>其余均为错误事件。
综上可以推导出在K基下当Alice和Bob在发送强度为r和l的光脉冲时，发送kA和kB光子数的误码率和计数率/>
其中，为探测端响应概率，/>为K基下Alice和Bob的错误投影概率，与之对应的/>为正确投影概率。这里的探测端响应概率/>为:
由此，式中有关的量子态增益和量子比特误码/>可以如下表示：
将给出基于量子存储器QM的测量设备无关量子密钥分发方法的数值仿真结果，并且与不引入量子存储器QM的诱骗态MDI-QKD计算方案进行了进一步的对比。在这里，使用与量子密码系统中相同的线性模型：η＝ηB×10-σ/20，σ表示量子信道的损耗,单位为(dB)。
在所有本专利涉及的量子密钥计算方案中，具体的仿真参数如表II所示。dA和dB分别表示Alice和Bob端探测器的暗计数率，dc和ηc分别代表Charlie端两个探测器的暗记数率以及探测效率，ε表示在统计结构分析中所考虑的安全界限。另外，为了公平对比，将三种方案的参数，包括：信号态强度、诱骗态强度以及选基概率等，都进行了优化。三种方案指：未引入量子存储器QM的基于标记单光子源HSPS的三强度诱骗态MDI-QKD方案、未引入量子存储器QM的基于WCS的三强度诱骗态MDI-QKD方案和本方案，即引入量子存储器QM的三强度诱骗态MDI-QKD。
表II
| dA | dc | ηc | ε | f |
| 10-6 | 10-7 | 0.75 | 10-10 | 1.16 |
图2给出了不同方案的密钥率随信道衰减变化曲线。从图2可以看出，当固定存储轮数M＝20时，本方案与不使用量子存储的标记单光子源HSPS MDI-QKD和WCS MDI-QKD方案相比，无论在密钥率大小还是在抗信道衰减能力上均有显著的优势。
图3给出了在固定20dB信道衰减条件下，密钥率随存储轮数M变化曲线。从图3可看出，密钥率开始随着存储轮数的增加而增加，但达到最大值之后，密钥率会随着存储轮数的增加而降低。图3中三条曲线密钥率最大值位置分别为：量子存储器QM效率为98％时，M＝34；量子存储器QM效率为90％时，M＝24；量子存储器QM效率为75％时，M＝18。因此为了达到最佳实验效果，需要根据实际的存储效率选择最佳的存储轮数。
图4给出了在不同存储轮数以及存储过程中不同态的保真度时，密钥率曲线随传输距离的变化曲线。当存储轮数M固定为20或5时，存储过程中态的保真度F越大，密钥率越高；当存储中态的保真度F固定为98.5％或95.0％时，存储轮数越高，密钥率越高；当存储中态的保真度F固定为90.0％且存储轮数固定为5时，已经不能生成密钥，说明态的保真度对密钥率影响较大。
综上，本发明提出了基于量子存储器QM的测量设备无关量子密钥分发方法，并进行了相关数学模型构建。此外，将本方案与不使用量子存储器QM的标记单光子源HSPS MDI-QKD方案和WCS MDI-QKD方案进行了对比。在本方案中，通过在贝尔态测量BSM模块之前引入量子存储器QM，确保了来自Alice和Bob的光子的同步性，提高双光子符合计数率。仿真结果表明，在使用现有设备参数情况下，本方案的系统性能明显优于其他方案。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行了进一步详细说明，应理解的是，目前的专利说明书仅以基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法为例进行了介绍，比如本发明的具体实施例使用的方法同样适用于基于其它光源或其他协议的QKD系统，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，Alice和Bob分别独立产生三种不同强度的光脉冲，即μ，v，0,制备N个双模光子对，并束为闲置光I和信号光S，即标记单光子源HSPS；
Alice和Bob分别将信号光S送入编码模块，闲置光I送入本地探测器探测后用于标记；
步骤2，编码模块将信号光S编码成四种时间戳-相位量子态：
|e>、|l>、或/>然后分别发送给第三方Charlie；
其中，|e>、|l>定义为Z基态，定义为X基态；
步骤3，当Alice或Bob的本地探测器有一个响应，代表其对应标记的信号光脉冲到达Charlie端，此时Charlie将提前到达的光脉冲存入量子存储器QM中；
当Alice和Bob的本地探测器都响应时，代表两个光子都到达Charlie端，此时Charlie将此前存储的光脉冲从量子存储器QM中释放出来，使其进入贝尔态测量BSM模块；
步骤4，Charlie对接收到的双光子脉冲执行贝尔态测量BSM操作，并公布测量结果；
采用的是时间戳编码的方式，所述测量结果是指，投影到贝尔态上的事件，其中
步骤5，Alice和Bob公布自己使用的基矢，根据Charlie公布的测量结果，结合三强度诱骗态方法估计成功事件中单光子脉冲对的计数率和误码率；
其中，和/>分别是由Alice和Bob发送强度r光子数为n的光脉冲的概率，n＝1或2，和/>为K基下Alice和Bob发送强度为r和l的光脉冲的平均增益上或下界，K∈(Z,X)，r,l∈{μ,v,0}，μ，v，0分别代表信号光强度和两种不同的诱骗态强度，/>和/>为K基下Alice和Bob发送强度为r和l的光脉冲的量子比特误码率上或下界；/>是强度为r的空计数增益；
步骤6，Alice和Bob生成最终的安全密钥，安全密钥率公式如下：
分别代表Z基下单光子脉冲对的计数率下界和X基下单光子误码率上界，分别代表Z基下Alice和Bob同时发送信号态强度为μ的光脉冲所产生平均增益和平均误码率，f为纠错系数，H表示香农熵。
2.根据权利要求1所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述量子存储器QM包括普克尔斯盒PC、PBS、第一反射镜和第二反射镜，普克尔斯盒PC、PBS和两个反射镜共同构成Sagnac环结构，普克尔斯盒PC位于两个反射镜连线的中心；
先到达量子存储器QM的光脉冲偏振方向是|H>，到达PBS后，经透射到达第一反射镜或第二反射镜，反射后的光脉冲经普克尔斯盒PC后，普克尔斯盒PC使得光脉冲的偏振方向变化为|V>，再经另一反射镜后回到PBS，经PBS反射到达第一反射镜或第二反射镜，一直在QM内部循环，当来自于Alice和Bob的两个光脉冲均到达后，普克尔斯盒PC使得先到达的光脉冲的偏振再变化为|H>，从PBS透射出去，离开QM。
3.根据权利要求2所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，贝尔态测量BSM模块包括分束器BS和两个探测器，来自量子存储器QM的两束光脉冲经过分束器BS后，分别到达对应的探测器；
Charlie端口的两个探测器上各自开两个时间窗口进行响应监控，这里将对应于Di探测器的第t个时间窗口记为
4.根据权利要求3所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，当Alice和Bob分别发送包含kA和kB个光子的光脉冲，被Charlie存储到量子存储器QM并释放到贝尔态测量BSM模块中，此时的成功概率表示为：
其中，Pl(k|j)代表一个标记单光子源HSPS在第j个时隙产生k个光子数的概率，Pe(k|j)代表一个标记单光子源HSPS在前第j-1个时隙至少产生1个光子，而在第j个时隙产生k个光子的概率。
5.根据权利要求4所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，在Z基中，定义成功事件是Alice和Bob发出不同的时间戳态|el>或|le>；而X基中，成功事件对应于Alice和Bob发出相同时间态|++>或|-->且探测到贝尔态即/>或或者Alice和Bob发出正交偏振态|+->或|-+>且探测到贝尔态/>即/>或其余均为错误事件；
在K基下当Alice和Bob在发送强度为r和l的光脉冲时，发送kA和kB光子数的误码率和计数率/>
其中，为探测端响应概率，/>为K基下Alice和Bob的错误投影概率，与之对应的/>为正确投影概率；这里的探测端响应概率为:
其中，dc表示探测器的暗记数；
由此，式中有关的量子态增益和量子比特误码/>如下表示：
其中，ed表示本底误码。
6.根据权利要求4所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，考虑进出态的保真度对于系统性能的影响，Z基下的保真度FZ与X基下的保真度FX表示如下：
其中，ed和eBG分别代表本底误码以及由于暗记数引发的成功探测概率，忽略eBG的影响，系统保真度F简化为：
F＝FX＝FZ＝1-ed。
7.根据权利要求1所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，步骤2中编码模块将信号光S编码成四种时间戳-相位量子态，具体过程为：
信号光S进入MZ干涉环，经过所述MZ干涉环的光脉冲出射后分为前后两个子脉冲，使用光强调制器去除前子脉冲或后子脉冲，分别产生|e>、|l>两个量子态，再使用相位调制器在前脉冲或后脉冲上加载位相π，分别编码成另外两个量子态：和其中|e>、|l>定义为Z基态，/>定义为X基态，然后分别发送给不受信任的第三方Charlie。
8.根据权利要求1所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，步骤3中，所述Charlie端包括贝尔态测量BSM模块、量子存储器QM、第一环形器和第二环形器，Alice的光脉冲经第一环形器到达量子存储器QM存储，Bob的光脉冲经第二环形器到达量子存储器QM存储，当需要释放时，量子存储器QM中存储的光脉冲分别经第一环形器和第二环形器到达贝尔态测量BSM模块。
9.根据权利要求1所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，在固定20dB信道衰减条件下，密钥率开始随着存储轮数的增加而增加，达到最大值之后，密钥率随着存储轮数的增加而降低。
10.根据权利要求1所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，当存储轮数M固定为20或5时，存储过程中态的保真度F越大，密钥率越高；当存储中态的保真度F固定为98.5％或95.0％时，存储轮数越高，密钥率越高；当存储中态的保真度F固定为90.0％且存储轮数固定为5时，不能生成密钥。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110086614A (zh) * | 2019-05-05 | 2019-08-02 | 南京邮电大学 | 一种使用标记单光子源的量子数字签名方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN110086614A (zh) * | 2019-05-05 | 2019-08-02 | 南京邮电大学 | 一种使用标记单光子源的量子数字签名方法 |
| CN110768794A (zh) * | 2019-10-30 | 2020-02-07 | 西安邮电大学 | 基于标记配对相干态和量子存储的量子密钥分配方法 |
| CN111600706A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-08-28 | 南京邮电大学 | 一种基于量子存储器的量子密钥分发方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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