连续变量量子密钥分发系统过噪声抑制技术研究

Continuous-variable technology has become an important way to implement quantum cryptography communication recently, and it is attracting more and more attention by academic researchers and industrial community in these years, where continuous-variable quantum key distribution (CVQKD) is one of the most important issues. However, the proposed CVQKD schemes are all limited in short secure transmission distance and low secret key rate. One of the important bottlenecks is the excess noise suppression technology in practical CVQKD system, since the excess noise not only directly decreases the secret key rate and the secure transmission distance, but also lowers the signal-to-noise ratio and further deteriorates the performance of the system. To break this bottleneck, we will study the excess noise suppression schemes which include the restriction of the generation of excess noise in CVQKD system and the restriction of the influence of excess noise on the secret key generation, so as to reduce fundamentally the effects of excess noise on the secret key generation and secure transmission distance. This work will provide theoretical schemes and practical methods to implement long-distance and high-bit-rate CVQKD system.

连续变量技术近年来已经成为一种重要的量子保密通信实现技术，受到国内外学术界和产业界的广泛关注，而连续变量量子密钥分发（CVQKD）是其中的一个重要研究热点。然而目前国内外针对连续变量量子密钥分发(CVQKD)的研究方案都处于一个相对低速且短距离阶段。其中的一个重要技术瓶颈在于实际CVQKD系统中的过噪声抑制，因为过噪声不仅会直接影响系统密钥率及安全距离，还会降低系统信噪比而影响数据后处理效率，进一步降低系统性能。为了突破这个瓶颈，本项目将致力于研究抑制CVQKD系统中过噪声的技术方案，包括抑制由于系统自身过噪声的产生及过噪声对系统密钥率的影响，从根本上减少过噪声对系统安全传输距离及最终密钥率的影响，为长距离及高速CVQKD系统提供理论依据和实际解决方案。

目前国内外针对连续变量量子密钥分发(CVQKD)的研究方案都处于一个相对低速且短距离阶段,其中的一个重要技术瓶颈在于实际CVQKD系统中的过噪声抑制,针对该问题课题组从如下三个方面展开了详细的研究。首先，在光路及软件算法模块噪声产生抑制方面，我们通过设计高灵敏度的零差检测器及高精度相位补偿技术有效抑制了长距离CVQKD通信中由强本振光泄露及相位漂移引入的额外过噪声，有效提升了CVQKD的传输距离及其稳定性，创造了国际上最长安全传输距离连续变量量子密钥分发实验记录，达到了150km单模光纤长度，为之前记录的近两倍。并设计实验实现了往返式双相位调制本地本振CVQKD方案，进一步避免了由于本振光传输、偏振漂移及强度调制器偏置点漂移引入的额外过噪声。其次，在电信号控制模块噪声产生控制方面，研究了CVQKD系统在Homodyne信号数据采样中的有限采样带宽效应，该效应会导致散粒噪声评估过高，并使得参数评估中过噪声过低，从而导致系统实际输出密钥率不再随着重复频率线性增加，并引入安全隐患。为此我们提出了基于双采样技术及基于动态时延调整模块技术，可有效消除有限采样带宽效应，使得系统能准确进行过噪声评估，有效提升在高重复频率下的密钥率。第三，针对CVQKD中过噪声对密钥率影响的抑制问题，我们提出了利用减光子操作提升中间纠缠分发CVQKD性能的方案，分析表明减光子操作可有效提纯收发双方的纠缠特性，从而抑制过噪声对CVQKD密钥率的影响，提升CVQKD最终密钥率。在完成预期目标外，我们还研究了连续变量量子密码通信协议，提出了一个基于量子隐形传态的连续变量量子身份认证协议，该协议可以通过更简洁的量子态操作实现身份认证。总的来说，我们针对目前CVQKD系统在长距离及高速化发展中所面临的瓶颈问题，研究了CVQKD系统中过噪声抑制技术方案，从根本上有效提升了CVQKD最终密钥率，为高性能CVQKD提供了理论依据和解决方案，很好地达到了项目预期要求的目标。