考虑到当光子传输速率过高时, 量子密钥分配协议在实际应用中会受到探测器死时间的影响, 因此对基于标记单光子源协议的安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系进行了探究。首先, 在考虑和不考虑探测器死时间这两种情况下, 探究了安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系。结果表明: 当光子传输速率过高时, 探测器死时间的存在的确会影响安全密钥生成速率。进一步分析了不同探测器死时间下安全密钥速率的生成情况。结果表明: 探测器死时间的取值越大, 得到的安全密钥生成速率就越低, 安全密钥生成速率的极限值和探测器死时间 τ 之间的关系为 4.2/τ。

基于预报单光子源,提出了一种相位匹配被动诱骗态量子密钥分配方案。在此方案中,通信双方仅需各产生单个强度的信号。根据通信双方本地探测器的响应情况,第三方的探测结果被分为四个集合,既起到信号态和诱骗态的作用,又共同参与参数估计和密钥生成,降低了系统实现的难度并改善了方案性能。仿真结果表明:相位匹配被动诱骗态方案的最大安全传输距离可达到552 km,性能趋近于现有的相位匹配主动诱骗态方案,且无需主动产生诱骗态;在一定程度上克服了相位匹配主动诱骗态方案严重依赖探测器探测效率的缺陷,性能更为稳定;随着数据长度的下降,方案的传输性能有所下降,但数据长度即使下降至10 7,方案的最大安全传输距离依然可以达到507 km。

针对基于指示单光子源的测量设备无关量子密钥分配协议存在基的依赖性问题和信源统计波动问题,研究了基于服从泊松分布的指示单光子源和轨道角动量的量子密钥分配协议,并进行了统计波动分析。分析了对称信道和非对称信道下,该协议的单边传输效率、密钥生成速率与安全传输距离的关系,模拟了信源的统计波动对该协议密钥生成速率和传输距离的影响。仿真结果表明,应用轨道角动量编码解决了该协议基的依赖性问题,提高了密钥生成速率和安全传输距离。统计波动对该协议密钥生成速率的影响随着传输距离的增大而扩大,在脉冲数量相同时,非对称信道下的密钥生成速率、安全传输距离大于对称信道下的。

提出一种基于预报单光子源和探测器诱骗态的循环差分相移量子密钥分发协议, 简称HSPS-DD-RRDPS-QKD协议。在详细推导协议密钥生成率的基础上, 给出了相关数值仿真, 并分别与基于弱相干光源和探测器诱骗态的循环差分相移量子密钥分发(WCS-DD-RRDPS-QKD)协议和诱骗态的BB84协议进行了性能比较。结果表明, 随着脉冲序列长度L的增大, 其密钥生成率和最远传输距离都相应减小; 当脉冲序列长度L=16时, HSPS-DD-RRDPS-QKD协议较WCS-DD-RRDPS-QKD协议, 安全通信距离提高了约100 km, 密钥生成率提升了近一个数量级; 当系统错误率为9.5%时, HSPS-DD-RRDPS-QKD协议的密钥生成率较诱骗态的BB84协议的提升了近两个数量级。

分析了密集波分复用下的经典-量子信息共信道同传系统噪声特性,提出基于预报单光 子源的经典-量子信息共信道同传方案。与传统的弱相干光源相比,其可以更精确地控制APD探测门限, 进而实现时域滤波减少信道噪声干扰;并且可以通过控制探测器开启时间,有效避免空光子发送时的 信道噪声及探测器暗计数影响。仿真结果表明,本方案提出的同传系统可有效抑制噪声干扰,与弱相干 光源方案相比于更远距离达到误码率阈值,提升了安全通信距离,可作为远距离量子密钥通信共信道同传参考方案。

结合预报单光子源的量子密钥分配系统模型, 介绍了三种典型的 BB84 诱惑态方案:主动诱惑态方案, 被动诱惑态方案以及主动和被动诱惑态相结合的方案。结合数值仿真深入分析了三种方案 在性能、实现难度等方面的优缺点。结论表明被动诱惑态思想可以进一步提高 BB84 诱惑态方案的密钥生成 效率; BB84 被动诱惑态方案(AYKI方案)由于无需主动制备诱惑态, 所以实现最为简单, 密钥分配速度快, 且方案性能趋近于无穷诱惑态的理论极限值;主动和被动诱惑态相结合的方案性能虽然稍 优于AYKI方案, 但是改善空间很小。