为了探究参考系无关量子密钥分发 (RFI-QKD) 协议下不同光源应对光源强度波动的能力差异, 提出了一种在非完美光源下参考系无关协议密钥率的理论分析计算方案。考虑常见的量子通信系统参数, 通过计算机仿真模拟分析对比了量子密钥分发中常用且易于获得的弱相干源 (WCS) 与可预报单光子源 (HSPS)以及可预测相干光源 (HPCS) 在强度波动下的具体表现。结果表明: 强度波动分析方案在参考系无关协议下具有可实现性, 相比常用弱相干源, 可预报单光子源和可预测相干光源在相同条件下具有更好的性能以及抵御强度波动缺陷的能力, 其中可预测相干光源具有最佳密钥率和最大传输距离。

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。

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。