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国内量子密钥分发设备又迎新突破,九州量子将误码率降至2%

日期:2018-04-02 16:24

  QKD(Quantum Key Distribution),即量子密钥分发设备,是量子保密通信的核心产品。它基于量子物理学的基本原理,是理论上证明的无条件安全密钥传输设备。
  
  量子误码率,是QKD设备的一项重要产品指标,它指的是QKD产品由于系统性误差、窃听者干扰或信道干扰导致的量子比特错误率。
  
  近日,浙江九州量子信息技术股份有限公司宋萧天团队自主研发的QKD设备,被第三方公司基于三种完全不同的环境进行检测,检测显示,其QKD设备的平均量子误码率低至2%左右,最低仅为0.5%,且保持稳定,达到了一个领先的数据水平。
  
  主导此项产品研发的宋萧天博士解释道:“误码率越低,剔除的信息就越少,设备性能就越好。”宋萧天博士毕业于中国科学技术大学物理系,工作经验丰富,一直从事量子光学、量子密钥分发、量子随机数发生器等技术领域的研究以及工程化的工作。
  
  一、误码率体现了QKD设备的性能优劣
  
  QKD设备是量子通信的关键器件,没有它进行量子密钥的产生和分发,后续的加密工作都无法顺利进行。量子通信应用体系分成了三层架构,在整个量子加密系统中,最底层为量子密钥传输层,该层通过量子密钥分发设备和光纤量子信道,在相邻的QKD设备之间实现的安全的密钥传输。中间层为密钥管理层,由QKM(Quantum Key Manager)系统,即量子密钥管理器,负责储存和管理QKD中生成的量子密钥。通过安全中继等技术实现任意两个或者多个节点之间的密钥共享,并为上层提供安全的密钥和认证服务。最上层是密钥应用层,由QSG,即量子安全网关,密钥应用层通过调用密钥管理层提供的接口获取量子密钥,加密数据,保证业务的安全。
  
  在QKD设备内部,单光子探测器、激光器、量子随机数发生器当属最为重要的三大器件;而在说明QKD好坏的重要指标中,成码率与误码率是关键指标。
  
  成码率是指QKD系统生成安全密钥的速率,该速率一般跟通信距离有关。而误码率,顾名思义是指错误信息所占的比例。造成误码的情况在实际操作中大致分两种,一是由于QKD系统本身每个模块需要调制解调,调制之间会产生无法消除的设备误差,这些误差值就成了误码;二是如果信息传输过程被窃听者窃听或信道干扰,会导致量子比特出现错误,这些量子比特的错误在接受、探测之后便形成数字比特错误,导致误码。
  
  误码率就越低,在最后数据处理时剔除的信息就少,相应的,成码率就越高。
  
  宋萧天博士表示,在理论研究时,是不存在系统误差这一项的,于是,会把所有系统的不完美都归类为窃听者的所作所为。在密钥后处理过程中,会通过对基、纠错等操作来纠正中因器件不完善、信道和环境的影响以及窃听等因素造成的错误比特,并通过保密放大技术将发射端与接收端的纠错后密钥进行压缩得到安全密钥,从而将窃听者获得的信息量减少至可以忽略的水平,这样才得到了安全可靠的密钥。
  
  二、平均误码率2%,这个数据是如何达到的?
  
  平均误码率为2%,最低仅为0.5%,这样的数据是如何达到的?宋萧天博士介绍,团队从方案设计,到探测器性能、干涉环匹配程度、调制精度上都进行了深究。
  
  在方案设计上,团队采用相位编码原理,也就是马赫-曾德干涉仪,加上消偏器,用消偏的方式抵抗信道中的偏振变化,设计出独有的方案。此方案主要设计者正是宋萧天博士,设计方案也获得了相关知识产权。
  
  在干涉环的匹配程度上,匹配程度越高误码率就越低,这是针对系统误差的检测改良,需考虑光强与光强比的契合程度;在探测器性能上,也就是单光子探测器,需运用雪崩光电二极管,但由于此二极管需要的技术较高,市场被国外企业垄断,团队主要从外部电路的设计上进行改观,需要考虑暗计数、后脉冲、探测效率等指标(暗计数率低于;后脉冲率≤2%;探测效率是10%(±1%));在调制精度上,采用自适应的方法,做到高效精准的反馈机制。这些都是研发中需要面对并解决的问题。
  
  宋萧天博士介绍,误码率的突破只是九州量子QKD设备研发进程中的一个“小胜利”。宋萧天现任九州量子的量子设备实验室负责人、技术总监,主要负责公司量子密钥分发系统的研发工作,团队成员40人,并根据QKD设备的不同模块进行人员分工,分为算法组、基础物理组、FPGA组、硬件组、软件组等,并在这些方面逐一进行突破。
  
  现阶段,九州量子的发明专利申请达到48件,实用新型专利申请46件,外观专利3件,其中13件实用新型专利授权。

       文章来源于光明网