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文檔簡介
本講主要內(nèi)容1糾纏態(tài)知識回顧2Ekert
91協(xié)
議3基于糾纏的BB84協(xié)議4
MDI-QKD協(xié)議5
TF-QKD協(xié)議1糾纏定義,檢測21糾纏態(tài)知識回顧糾纏態(tài)的定義■
不可分離態(tài)不可分離態(tài),即糾纏態(tài),指不能寫成可分離態(tài)形式的態(tài),即兩體系統(tǒng)的態(tài)不能簡單地寫成兩個子系統(tǒng)態(tài)的直積形式|φ>
A?|φ>B。糾纏態(tài)包括糾纏純態(tài)和糾纏混態(tài)。Bell態(tài)是最簡單的兩體量子糾纏態(tài),在測量前A和
B處于不確定的狀態(tài),若對其中之
一進行測量,則另一個的狀態(tài)隨之而定,即塌縮到確定態(tài)。兩體糾纏態(tài)Bell
態(tài),共有4個3多粒子糾纏GHZ-stateGraph-statecluster-stateW-state4θ?=θ。對應(yīng)“90/0度”測量基,
θ?=θ/對應(yīng)“-45/45度”測量基若發(fā)送最大糾纏態(tài),如
Bell態(tài)
4
〉A(chǔ)后,則S=2√2;對于非糾纏態(tài),|S|≤2。Bell
參數(shù):S=E(θ,On/s)-E(0,O?π/8)+E(O2/4,D/8,)+E(O2/4,03π/8)相關(guān)系數(shù)糾纏態(tài)的檢驗:CHSH
不等式其中,
θB=03π/18對應(yīng)“67.51-22.5度”測量基,
θB=θ2/18兩光子偏振糾纏態(tài)可表示為:對應(yīng)“22.5/-67.5度”測量基,Alice的測量軸
Bob的測量軸52
Ekert
91協(xié)
議■協(xié)議原理、過程與實現(xiàn)■
密鑰產(chǎn)生率
(Key
rate)6基于E-91協(xié)議的QKD系統(tǒng)構(gòu)成裝
置(
Alice)PBS糾纏源2(90)5(45)3(22.5)
1(0)6(-45)4(-67.5)裝
置(Alice)b:1,2’
b?:3',4′5’5'(67.5)3’(45)1'(22.5)6'(-22.5)4'(-45)2'(-67.5)后處理1’BobPBSBS
1:26'PBSHWP?I3'PBSHWP?PBS后處理Alice測量同步測量同
步2’HWP?1:1
BSHWP?BS?
1:2E-91協(xié)議-過程E91
協(xié)議的工作過程如下:?Step1.糾纏源產(chǎn)生糾纏光子對,每對糾纏光子對中的兩個光
子分別發(fā)往
A
和
B;?Step2.A
和
B各自對每組光子進行獨立測量,其中測量基矢從三組特定基矢中隨機選取
,A從測量基(a:a?,a?)
中隨機選取,B從測量基(b,b?
,b?)中隨機選取;Step3.經(jīng)過多次測量后,雙方通過經(jīng)典信道公布各自所選用的測量基,并將測量得
到的隨機數(shù)分為兩部分:測量基相同(a?
與
b;a?與
b?)的部分將各自繼續(xù)持有,而測
量基不同的部分則通過經(jīng)典信道告之對方;
?8E-91協(xié)議-過程(續(xù))Step4.
利用測量基不同的部分進行竊聽檢測,即計算
Bell
參數(shù),檢測CHSH
不等式
:?S=E(a,b)-E(a,b?)+E(as,b?)+E(a,b?)其中,
E(a.b?)=P.(ab,)+P.(ab?)-P.(a.b?)-P.(ab?)P.
(a,b,)表示A沿a基測量,B沿b,基測量,測量結(jié)果都為+1的概率,其它的類同。Step5.如判定無竊聽者存在,即|s|>2,
由于雙方的測量結(jié)果具有反關(guān)聯(lián)性(如Alice得到的結(jié)果是0,Bob
得到的結(jié)果必定是1),對其中之一做比特反轉(zhuǎn),即得到初
始密鑰(initial
key,也稱為篩選密鑰,sifted
key);?Step6.
執(zhí)行信息協(xié)調(diào)和密性放大,得到最終安全密鑰。?9E-91協(xié)議-Key
rate■
密鑰產(chǎn)生率RE?1≥qQ[1-f(e)H?(e)-x(B:E)]10E-91協(xié)議Keyrate結(jié)果tB≠1時106Onm波長暗計數(shù)10-1310?(d)波長1060nm
時
E91協(xié)議密鑰率.與損耗關(guān)系圖(tg≠1
且暗計數(shù)10-13).20
2122鏈路損耗
(dB)2325密鑰率113基于糾纏的BB84協(xié)議■
糾纏制備■分別隨機選擇測量基
(Z\X)12BBM92
協(xié)議BBM92協(xié)議的具體工作過程如下:Step1.糾纏源產(chǎn)生處于Bell態(tài)的糾纏光子對,糾纏光子對中的兩個光子分別發(fā)往
A
和B;?Step2.A
和B
各自對收到的每組光子進行獨立測量,A和
B
的測量基矢分別從Z基(0/90)或X基(45/-45)中隨機選??;
?Step3.經(jīng)過多次測量后,雙方公布各自所選用的測量基,并將收到的隨機數(shù)分為兩部分:測量基相同的部分各自保留,而測量基不同的部分丟棄,得到初始密鑰;
?Step4.A
和B從初始密鑰中隨機選擇部分比特公開比較進行竊聽檢測,誤碼率小于門限值的情況下,進行下一步;否則認為存在竊聽,終止協(xié)議;
?Step5.如判定無竊聽者存在,執(zhí)行信息協(xié)調(diào)和密性放大,得到最終安全密鑰。
?13基于糾纏的BB84協(xié)議實現(xiàn)Alice:Detection
ModuleA.Poppe,A.Fedrizzi,T.Loruenser,O.Maurhardt,R.Ursin,H.R.Boehm,M.Peev,M.Suda,C.Kurtsiefer,H.Weinfurter,T.Jennewein,A.Zeilinger.PracticalQuantumKeyDistributionwithPolarization-EntangledPhotons.Optics
Expression,2004,vol.12,No.16:3856HWPSvnc.LaserlEthernetPo.n:SMFODBBOHWPQKGElectronicsQKGElectronicsEth
Bidge-Ethernet
PortEthemet
Port1.45
kmclentEthernetBBO/2SMF144
MDI-QKD協(xié)議15測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)■
MDI-QKD(measurement
device
independent
quantumkeydistribution)Lo
HK,Curty
Mand
Qi
B
2012
Phys.Rev.Lett.10813050316MeasurementdeviceBSDecoy-IMPol-MWCPAliceDecoy-IMPol-MWCPBobD?
HPBSD?vDHPBSD?VTransmissioncoefficient
T=cos2θReflectioncoefficientR=1-T=sin2θ
Relativephase
ie±iMappingofoperatorsa?=cos
θa+ie-i
sin
θa?a?=iei
sin
θa+cos
θaora→iei
sinθa3+cosθa?a?→cos
θas+ie?i
sin
θa?P.
Kok,W.J.Munro,K.Nemoto,T.C.Ralph,J.P.Dowling,G.J.Milburn,Linear
optical
quantum
computing
with
photonicqubits,Rev.Mod.Phys.79135(2007)17Fora
50:50
BSθ=π/4φ=0
分束器
Beam
splitter(BS)31218H.-K.Lo,M.Curty,B.Qi,Measurement-Device-Independentquantumkey
distribution,PhysicalReviewLetters,108130503(2012)Bellstatemeasurement(BSM4〉?B=(a?|H>a+av|V>)(Ba|H〉。+BIV>)=αHβH|H〉
|H〉B+αHB|H>|V〉B+avβH|V>|H〉B+αvβ|V>AIV>B4〉A(chǔ)=aH|H〉A(chǔ)+av|V〉=(ana?.A+ava.,A)|0)4〉B=βa|H〉?+B|V〉B=(Baaa.B+Bva.B)|0)0〉A(chǔ)|So,we
can
identify
4+>AB
the
by
coincidence
betweenD?H
and
D?v
or
in
D?H
and
D?v19[a,a.]=δ(k-K'),[a,ae]=[a,a
徒]=0Commutation
relation
is
used.BSM(cont.)So,thereisnocoincidencebetweenfourdetectorsforinputstates|φ〉A(chǔ)DABSo,we
can
identifyl4
?B
the
by
coincidence
betweenD?w
and
D?H
or
in
D?n
and
D?vαH=βH,αv=βv
,the
transformation
will
be〉?
4〉B=(anaaA+avatA)(Baa
B+Bva
B)
0〉BSM(cont.)-If4
|
..
.
.|Hong-Ou-Mandel
effectBSM(cont.)AtMDI-QKDAlice
&BobRelayoutput|
ψ〉Relay
output
|
ψ+〉Rectilinearbasis
Diagonal
basisBitflipBit
flipBitflipNobit
flipH.-K.Lo,M.Curty,B.Qi,Measurement-Device-Independent
quantum
key
distribution,Physical
Review
Letters,108130503(2012)ABMDI-QKD實現(xiàn)Liu
Y,Chen
TY,Wang
LJet
al
2013
Phys.Rev.Lett.11113050222USERNLaser
AM
Circ
PM
EVOA
DWDM
EPC
PBS
SNSPD普通的QKD網(wǎng)絡(luò)與MDI-QKD網(wǎng)絡(luò)
MDI-QKD
網(wǎng)絡(luò):一個測量服務(wù)器,三個用戶Tang
YL,Yin
HL,Zhao
Qet
al
2016
Phys.Rev.X6011024MDI-QKD網(wǎng)絡(luò)(a)USERN(b)OpticalSwitchOptical
SwitchAttack!USER2USER223BSfD?IIBS?△t=tVIVBS,AliceCharlieSPSTime-binMeasurementsetupTime-binencoderSPSDavid基
于W
態(tài)
的
四
用
戶MDI-QKD
網(wǎng)
絡(luò)
W態(tài)分析器[1]ChanghuaZhu,FeihuXu,Changxing
Pei,W-state
Anabyzer
and
Multi-party
Measurement-device-independent
QuantumKeyDistribution,ScientificReports,5,17449(2015)4用戶MDI-QKD
網(wǎng)絡(luò)Time-bin
encoderSPSBobI△t=T△t=Tw
BS??u
BS,Time-bin
encoderBS?△t=TBS?BS?BS?BSSPSCgIID?D?D?BS?ADB24mhbkC5
TF-QKD協(xié)議25PMM.Lucamarini,Z.L.Yuan,J.F.Dynes1&A.J.Shields,Overcomingtherate-distancelimitof
quantum
key
distribution
without
quantum
repeaters,Nature557,400(2018)TF-QKD
原理BobLSMbIMCharlieDO
D1LSIMPMVOAAliceVOARNGRNG26M.Lucamarini,Z.L.Yuan,J.F.Dynes1&A.J.Shields,Overcoming
the
rate-distance
limit
of
quantum
key
distribution
without
quantum
repeaters,Nature
557,400(2018)Typical
phase-basedQKD
set-upUnfoldedQKD
set-upTF-QKD原理(續(xù))27Protocol0.Initial
operations-The
phase
interval(0,2π)is
split
into
M=16equal
slices
△c=2πk/M,withk={0,.…..M-1}.An
authenticated
channel
is
set
up
for
the
public
announcements
made
by
the
legitimateusers
Alice
and
Bob.1.Classical
stage-The
users
send
bright
unmodulated
optical
pulses
to
the
relay
station,to
let
Charliestabilise
the
communication
channels
and
in
particular
minimise
the
phase
misalignment
δba=δ-8a.2.Quantum
stage-The
users
attenuate
the
optical
pulses
to
the
single-photon
level
and
modulatetheir
phase
and
intensity.3.Preparation-Alice
and
Bob
select
random
values
for
the
intensities
Ha,b∈{u/2,v/2,w/2};the
bitphasesαa,b∈{0,π},corresponding
to
the
bits{0,1},respectively;the
basis
phasesβa,b∈{0,π/2},
corresponding
to
the
bases{X,Y},respectively;and
the
phases
Pa,b∈(0,2π).They
record
in
whichphase
slice
△k(a)(Alice)or
△e(b)(Bob)their
values
pa
and
pb
fall
into.They
then
prepare
pulseswithintensitiesμa,b
andphases
φa,b=(aa,b+βa,b+Pa,b)田2πandsend
them
toCharlie.M.Lucamarini,Z.L.Yuan,J.F.Dynes1&A.J.Shields,Overcoming
the
rate-distance
limitof
quantum
key
distribution
without
quantum
repeaters,Nature
557,400(2018)TF-QKDprotocol284.Charlie's
measurement
and
announcement-Charlie
interferes
the
incomingpulses
and
records
which
detector
clicks.When
the
quantum
communication
is
over,he
publicly
announces
all
the
runs
where
his
detector
0(1)clicked;Alice
and
Bob
will
correspondingly
set
a
variable
x
equal
to
0(π).All
theruns
where
none
oforboth
ofhis
detectors
clicked
are
discarded.5.
Users'sannouncementand
sifting-Afterthe
previous
stepiscomplete,Aliceannouncestheintensi-
ties
μa,the
basis
phases
βa
and
the
phase
slices
△k(a)and
Bob
announces
the
runs
where
his
valuesmatch
Alice's.The
users
discard
all
the
mismatched
runs.Then
they
disclose
the
bit
values
of
the
matched
runs
except
those
in
basis
X
and
intensity
class
u,which
are
kept
secret.6.Raw
key
bit
distillation
and
parameter
estimation-The
users
perform
a
coordinated
random
per-
mutation
of
the
bits.For
the
bits
in
basis
X
and
intensity
class
u,Bob
draws
Alice's
bit
phase
αafrom
the
relation
x=|ab-αa|.The
userscanthendistillakey
bitequalto0(1)whenαa=0
(π).A
raw
key
is
formed
by
concatenating
these
bits.All
the
remaining
bits,fully
disclosed
in
theprevious
step,are
used
to
perform
the
decoy-state
parameter
estimation
and
test
the
channel
againstthe
presence
ofEve.7.Post-processing-Theusersrun
classical
post-processing
proceduressuchas
error
correction
and
privacy
amplification
to
distil
the
final
secure
key
from
theraw
key.Table
S1-TF-QKDprotocol.M.Lucamarini,Z.L.Yuan,J.F.Dynes1&A.J.Shields,Overcomingtherate-distancelimitof
quantumkeydistributionwithoutquantumrepeaters,Nature557,400(2018)TF-QKDprotocol29TF-QKD
協(xié)議TF-QKD
協(xié)議的工作過程如下:(1)制備:Alice
產(chǎn)生隨機信息比特序列8a,隨機選擇從{X,Y}中選擇編碼基進行相位編碼,{X,Y}
基分別對應(yīng)h∈{0,1},同時借助相位調(diào)制器
PM
進行相位隨機化,隨機相位為
θa,θa∈[0,2π],則制備的量子態(tài)為
同
理
,Bob
制
備
的
量
子
態(tài)(2)測量:Alice
和
Bob
將編碼后的量子態(tài)發(fā)送給Charlie,
在
Charlie
的分束器
(BS)處進行
單光子干涉,再根據(jù)探測器D?和D?
的響應(yīng)來確定Bell態(tài)測量結(jié)果;X:
0,π30TF-QKD協(xié)議(續(xù))(3)篩選:Charlie
通過Alice
和
Bob
雙方共同認證的經(jīng)典信道公開測量結(jié)果,Alice和
Bob
公開各自的h,θa和h,θ?。其中,對于Alice和
Bob的隨機相位信息θa,θ,雙方無需公布具體的相位值,只需公布各自所在的相位區(qū)間信息△R(a,b)即可(這里,將可能的相位取值[0,2π)分成
M
個相位區(qū)間,即△=2πk/M,k={0,K,M-1}
。
如果
Charlie
的探測器D?,D?
有且僅有一個響應(yīng),并且
Alice和
Bob的隨機相位落在同一個區(qū)間內(nèi),則Alice和Bob保留各自的信息比特ga,gb,
其余全部丟棄。Alice
和
Bob
利用部分原始數(shù)據(jù)計算QBER,
若該值小于預(yù)設(shè)的閾值,則剩余比特成為初始密鑰,否則,此次密鑰傳輸無效,丟棄全部數(shù)據(jù)。(4)后處理:Alice和
Bob對篩選后的初始密鑰進一步糾錯和密性放大,以防存在竊聽者
Eve竊取信息,得到最終安全密鑰。311010.Simulationparameters(Hz)(%)108-ldeal
bounds
0
100
0TF-QKD
1030
3
1.1510?-13IdealTF--cQKD
Single-repeaterbound□6TF-QKDRepeaterlessboundsbit
h-110-4-0100
200300
400500
600
Alice-Bobdistance
in
standard
opticalfibre
(km)Theoreticalbounds(lines)andexperimentalresults(symbol
溫馨提示
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