在空间信道连续变量量子密钥分发（CVQKD）中，相干态调制体制与经典光通信设备通用性更强、与光纤信道兼容性更好，是未来空间信道CVQKD网络建设重要方案之一。针对湍流信道中光量子信号的扩束、吸收、散射、漂移以及本振光和量子信号之间的相位差抖动等效应，构建了湍流信道下CVQKD安全密钥率仿真模型，重点分析了湍流信道参数、相位延迟量和探测方式对系统密钥率的影响。结果表明：系统总过噪声与传输距离、本振光和信号光延迟时间、大气湍流强度等均呈正相关，大气湍流的增强会降低信道透过率，还会增大系统中断概率和过噪声，使系统密钥率迅速下降。外差探测在短距离传输时具有较高密钥率，零差探测可实现更远距离传输。仿真结果可为实际自由空间CVQKD系统的设计和优化提供参考。

为了研究海洋非色素团聚颗粒对水下量子通信性能的影响，基于Mie散射理论和Gordon模型，分析了非色素团聚颗粒的散射与吸收特性。针对不同波长的光信号，建立了海洋非色素团聚颗粒质量浓度与链路衰减、量子安全密钥产生率、信道建立速率、幅值阻尼信道容量之间的关系模型并进行了仿真。结果表明，当采用波长为580 nm的光信号进行水下量子通信、传输距离为2 km、海洋非色素团聚颗粒的质量浓度为1.2 mg/L时，对应的链路衰减、量子安全密钥产生率和幅值阻尼信道容量分别为1.659、8.295×10^-5和0.486；保真度为0.899时，量子信道建立速率为58.2 pair/s。该仿真结果可为海洋环境中量子通信系统的设计与优化提供参考依据。

为提升自由空间量子通信系统性能, 以相敏放大器(PSA)和相位非敏感放大器(PIA)原理为基础, 研究了在量子通信系统接收端分别加入PSA、PIA后的高斯调制连续变量量子密钥分发(CVQKD)模型, 推导了相应的安全密钥率公式。当信号波长分别为810 nm、1550 nm和3800 nm时, 仿真分析了系统受到集体攻击和个体攻击情况下接收端采用零差检测和外差检测时安全密钥率与距离的变化关系, 对比了相同条件下PSA、PIA对系统性能的提升效果。仿真结果表明: 当接收端分别采用零差检测、外差检测时, 系统相应选择PSA、PIA时的性能更好。

在星舰量子密钥分发系统中，发送量子密钥的量子卫星是低轨道卫星，追踪量子卫星的接收设备安装在船舰上。接收设备需要追踪卫星的运动，接收端基矢不可避免地会发生旋转。分析了导致基矢旋转的原因，针对BB84协议，建立了基矢旋转角与量子误码率、获取信息量的定量关系。结果表明，当传输距离为200 km，基矢旋转角分别为2°和10°时，量子误码率和获取的信息量分别为8.255×10-5和0.99、2.044×10-3和0.91。基矢旋转角大于2°时，星舰量子密钥分发系统的性能有明显下降，这表明进行星舰量子密钥分发时，需根据基矢旋转角的大小提前进行自适应校正。

量子密钥分发可以为通信双方提供无条件安全的密钥。提出使用压缩光源的无需监控信号干扰的量子密钥分发协议。该协议通过在接收端对量子信号进行循环移位并测量任意2个量子信号的相位差来实现量子密钥分发, 不仅可以产生安全密钥, 而且不需要监控信号干扰, 降低实现的复杂度。此外, 仅使用2种强度的诱骗态去估计安全密钥生成率。实验结果表明: 所提出的协议可以极大地提高安全密钥率, 并增大传输距离。此外, 仅使用2种强度的诱骗态也可以获得接近使用无穷个诱骗态的结果。

提出一种不含有三光子脉冲的环回差分相位量子密钥分发(QKD)协议。 该协议可以在不需要监控信号干扰的情况下产生安全密钥,从而有效地降低实现的复杂度。此外,还提出了仅使 用两种强度的诱骗态去估计安全密钥生成率。实验结果表明该协议可以极大地提高安全密钥率,并增大传输距离。 而且,仅使用两种强度的诱骗态就可以获得接近使用无穷个诱骗态的性能,有效地减少了诱骗态资源的消耗。

在实际的量子密钥分发(QKD)系统中,光源参数会随着时间、 环境的变化而抖动,导致QKD的成码率等性能下降。提出一种减轻光源抖动对QKD性能影响的方法。该方 法用标记相干态光源代替广泛使用的弱相干态光源,可以有效地提高QKD在光源抖动下的安全密钥生成率, 克服光源抖动对QKD性能的影响,并增大传输距离。通过理论分析和数值仿真验证了所提出方法的可行性, 该方法为QKD的实际应用提供了一种思路。

研究了三种常见天气降雨、降雪和雾霾对采用不同波长信号的自由空间量子通信系统的安全密钥率的影响。利用建立的基于连续变量高斯调制的量子密钥分发传输模型,分析了在个体攻击和集体攻击情况下Bob分别采用零差检测和外差检测时,不同天气条件和不同信号光波长对安全密钥率的影响。随后仿真得到了不同天气情况和等级、不同波长量子信号、不同攻击类型和不同检测方式条件下安全密钥率随传输距离的变化关系,并对结果进行了分析。研究结果可以为实际的自由空间量子通信系统的设计提供一定的参考。

量子密钥分配协议的安全性主要是指在一定信道条件下协议所能支持的最高安全密钥生成率,而退极化信道则是量子信息理论中一种常用的信道模型,该模型可以有效刻画量子态在量子信道传输中的扰动。利用量子信息论方法推导并模拟了退极化信道条件下BB84协议与设备无关协议的安全性。对于给定的退极化信道参数和信道衰减参数,进一步结合诱骗态方案给出了两种协议在不同信道传输距离下的安全密钥率。该研究结果可用于理论模拟在长距离量子密钥分配条件下的安全密钥生成率,为进一步的安全性分析和实验实现建立了理论基础。

量子密钥分配协议的无条件安全性建立在理想的量子设备、经典设备和随机数的假设下。实际系统与理想协议存在一定的差异性,这种差异性可能被窃听者利用,从而导致系统的不安全。利用分束器的分束比具有波长相关特性, 窃听者可以采取波长攻击控制接收端测量基矢的选择。基于基矢选择的随机性偏差参数,给出分束器波长相关性的定量刻画方法。进一步利用纠缠提纯安全性分析技术,分析了量子密钥分配系统在波长攻击下的安全性,给出了不同随机性偏差参数下的安全密钥率公式。