1 黑龙江大学数学科学学院, 黑龙江 哈尔滨 150080
2 黑龙江省复杂系统理论与计算重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080
3 黑龙江大学密码与网络安全研究院, 黑龙江 哈尔滨 150080
半量子身份认证在保障通讯安全方面发挥着至关重要的作用。通过引入一个量子第三方对密钥进行集中管理, 提出一种新的基于Greenberger-Home-Zeilinger (GHZ) 态的半量子双方身份认证协议。首先, 对参与者的量子能力进行限制, 两个认证者都只具有半量子的能力, 协议使用更少的量子资源。其次, 协议中两个半量子参与者只需要执行简单的测量操作和异或操作。安全性分析发现, 利用该协议进行量子通信时，假冒攻击、截获重发攻击和纠缠附加攻击等攻击都无法引起合法身份信息的泄露, 表明该协议可以有效防止非法的不诚实参与者获得合法身份, 具有较好的安全性和实用性。
量子通信 半量子认证 身份认证 双方认证 GHZ态 quantum communication semi-quantum authentication identity authentication mutual authentication GHZ state
空军预警学院雷达士官学校 湖北 武汉 430345
为了利用相同的资源传递更多的信息, 提出一种非对称可控密集编码方案, 非对称信道为5×2×2×2维的4粒子团簇态。方案有两个控制者, 一个控制者对粒子进行正交基测量, 通过控制测量角来控制信道的纠缠度; 另一个控制者进行投影测量, 作用是通过测量产生密集编码的量子信道, 同时也可以控制编码传输能否进行。信道产生后, 通过发送者的提纯、编码操作和接收者的测量操作, 实现可控密集编码。传输的平均信息量为4×(1+log25)α2。方案还将基于4粒子团簇态的可控非对称编码扩展到N×2×2×2维非对称信道, 证明了非对称编码具有很强的扩展性。研究发现, 非对称编码的信息量随信道非对称程度的提高而增大。
量子信息 可控密集编码 非对称信道 幺正变换 4粒子团簇态 quantum communication controlled dence coding non-symmetric channel unitary transformation four-particle cluster state 量子光学学报
2023, 29(4): 040401
1 季华实验室，广东佛山528200
2 中国人民解放军96035部队，吉林吉林13101
3 中国科学院大学北京100049
随着量子保密通信网络及产业化发展，轻小型化接收望远镜满足量子跟踪仪规模化和便携式的多应用场景需求。对满足接收望远镜的技术体制进行了对比分析，确定了RC+小像元+量子模块的光学系统形式，采用小F数+微小像元的技术体制。设计了全铝一体化结构的φ280量子跟踪仪接收望远镜，F5的RC望远镜采用RSA-6061微晶铝合金作为反射镜的结构材料，配合一体化硬铝合金高刚性结构，静力学（重力变形和温度变形）仿真分析结果满足近衍射极限成像和高效率量子接收要求，动力学仿真分析结果表明，一阶模态为91 Hz，具有足够高的动态刚度和安全冗余。集成测试结果表明：望远镜的中心视场波像差RMS为λ/14.7，5个视场系统波像差均优于λ/12.7，可以确保近衍射极限高质量信标成像，奈奎斯特频率处的光学传递函数为0.15；HV+-四个偏振态的平均偏振对比度为454，全系统效率为51.93%，可以高质量接收量子密钥；-25 ℃和+30 ℃外场恒星成像实验验证了系统可以稳定、高质量提取质心用于脱靶量闭环；与“墨子号”星地量子密钥分发实验成码为92.9 kb，误码率为1.18%，能够实现高效率量子接收。
量子通信 轻小型 量子跟踪仪 高刚性 量子密钥分发 quantum communication lightweight and miniaturized quantum tracker high rigidity quantum key distribution 光学 精密工程
2023, 31(23): 3426
1 湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430068
2 国开启科量子技术(北京)有限公司, 北京 102629
随着量子密钥分发 (QKD) 系统的深入研究与应用, 随机数的质量和产生速率面临着更大的挑战。为了满足随机数在QKD系统以及对于密钥安全性要求较高的场景下的使用, 提出一种基于真空涨落产生真随机数的实验方案。相比于传统方案使用的2 × 2偏振分束器 (BS), 该方案采用单模1 × 2的BS来实现光路的传输, 不仅节省了装置成本, 同时还得到了较高的随机数产生速率。在9.68 dBm光强的作用下, 得到量子噪声与经典噪声的信噪比为 11.92 dB。对通过12 bit的模数转换器采集到的数据进行分析, 结果显示经典噪声和真空散粒噪声均符合高斯分布, 通过计算得到最小熵为9.92, 原始数据经过安全性可被信息论证明的托普利茨 (Toeplitz) 后处理, 最终实现7.6 Gbit/s的量子随机数产生, 并且通过了Nist随机数标准测试, 验证了方案的可行性。
量子通信 真空涨落 量子随机数 最小熵 后处理 quantum communication vacuum fluctuation quantum random number minimum entropy post processing
空军工程大学信息与导航学院, 陕西 西安 710077
量子安全直接通信不需要提前准备密钥, 直接通过量子就可以进行秘密信息传递。针对量子通信设备成本较高的问题, 基于 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 态粒子和半量子理论, 提出了一个双向三方的半量子安全直接通信 (SQSDC) 方案。该方案可以实现两个经典方和一个量子方之间的秘密通信, 且通过调整GHZ态粒子的个数，可以将经典方扩展至任意多方, 因此尤其适用于一个上级单位和多个下级单位之间的通信。方案安全性分析表明, 利用GHZ态的纠缠特性进行窃听检测, 可以有效地抵抗窃听者的截获测量重发攻击和纠缠测量攻击。在三方通信时, 该方案的通信效率达17.65%, 具有较高的通信效率。
量子通信 半量子安全直接通信 GHZ态 多方通信 quantum communication semi-quantum secure direct communication Greenberger–Horne–Zeilinger states multi-party communication
安徽理工大学力学与光电物理学院，安徽 淮南 232001
腔光力系统的反电磁诱导透明（IEIT）现象越来越多地受到研究者的广泛关注。所谓的IEIT现象发生在非线性系统中，在1个控制场和2个探测场的共同驱动下，腔内的机械振子对2个探测场的能量进行完全吸收，而不发生透射和反射现象。提出一个多模腔光力系统，该系统由2个机械振子和1个光学谐振腔构成，由1个控制场和2个探测场所驱动。通过控制该系统中有效的光力耦合速率（由腔场功率决定）、2个机械振子与腔光子耦合强度之间的比值，该腔光力系统出现了IEIT现象。此外，进一步解决了能量驻留的问题，发现在2个振子的作用下，系统的耦合效果得到显著增强。通过调节腔场的功率和机械振子与腔的耦合关系，该系统可以实现滤波、能量分配调节，此研究可能适用于量子通信和能量储存等领域。
反电磁诱导透明 非线性系统 腔光力系统 量子通信 光学学报
2023, 43(22): 2226001
1 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
随着水下无线通信的发展，关于海洋环境量子通信的研究也逐渐成为热点。其中，研究海洋气泡对光量子在水下传输的影响具有重要意义。为了研究海洋气泡对水下量子通信信道性能的影响，根据海洋气泡的粒径分布模型，研究了气泡的散射特性，并根据气泡的消光系数，分析了不同条件参数对链路衰减、纠缠度、信道容量以及信道误码率的影响，并进行了仿真实验。结果表明：气泡浓度和传输距离的增大，使链路衰减和误码率增加，对于幅值阻尼信道、退极化信道和比特翻转信道，其信道容量均有所减小；随着气泡半径的增大、深度的减小，信道纠缠度降低。由此可见，海洋气泡对量子通信性能的影响不可忽略，在实际应用中为了保障水下量子通信的传输效率，应适当调节水下量子通信相关参数，减小海洋气泡环境对通信系统的影响。
海洋气泡 水下量子通信 链路衰减 信道纠缠度 信道容量 光学学报
2023, 43(18): 1806001
1 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
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。
量子通信 海洋非色素团聚颗粒 量子安全密钥产生率 信道建立速率 幅值阻尼信道 光学学报
2023, 43(12): 1201001
1 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
在以偏振编码为基础的量子保密通信中，由于外界温度、应力以及光纤的本身缺陷等因素，使得偏振态无法保持长期稳定，增加系统的误码率，因此需进行偏振控制以维持通信系统正常运行。诱骗态已经成为现阶段量子通信网络的常规操作，利用诱骗光子作为偏振参考，有望实现系统偏振态长时间、不间断地锁定控制，提高通信效率。提出了利用现场可编程逻辑门阵列进行偏振态制备以及强光、单光子偏振控制于一体的系统偏振解决方案，将偏振态制备、强光偏振控制、单光子偏振控制单元集成在一个系统中，提高了系统的集成化，增加了系统管理的便捷性，实验测试偏振态制备单元可以根据需要产生不同的偏振态，经过强光偏振控制后，保真度可达99.11%±0.44%，经单光子偏振控制后保真度可达97.93%±0.96%，演示证明了方案的有效性和稳定性。
量子保密通信 现场可编程逻辑门阵列 偏振控制 集成化 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106018
1 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
为研究海冰对水下量子通信信道性能的影响，基于海冰在不同的密度、盐度下的吸收与散射特性，建立了海冰参数与消光系数之间的关系、光量子信号衰减模型；根据海冰在不同密度、盐度下的消光特性，分别建立海冰参数与信道利用率、量子密钥分配系统误码率、系统成码率之间的关系并进行数据仿真。理论分析与仿真结果可为海冰环境下的水下量子通信设计提供参考。
海洋光学 水下量子通信 海冰 链路衰减 信道利用率 系统误码率 系统成码率
