水下量子密钥分配的误码率和成码率.pdf

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1、第47卷第4期2017年4月中国海洋大学学报PERl0DICAL0FOCEANUNIVERSITY0FCHINA47(4)：114～120Apr．，2017水下量子密钥分配的误码率和成码率+史鹏1’2，赵士成1，李文东1，顾永建h。(1．中国海洋大学物理系，山东青岛266100；2．青岛理工大学理学院，山东青岛266520)摘要：水下量子密钥分配可以为水下通信提供绝对安全的保密手段。水下量子密钥分配系统的误码率和成码率受到海水信道的光学性质、天气环境和通信系统硬件参数等的影响。本文从理论和实验上分析水下量子密钥分配的信道特性和系统硬件特性

2、，估算其误码率和成码率，并给出系统参数的门限值，结果表明可在百米范围内进行绝对安全的水下量子密钥分配。关键词：水下量子密钥分配；海水信道；量子误码率；成码率中图法分类号：E963；043；P733．3+2文献标志码：A文章编号：1672—5174(2017)04—114—07DOI：10．16441／j．cnki．hdxb．20140381引用格式：史鹏，赵士成，李文东，等．水下量子密钥分配的误码率和成码率I-j]．中国海洋大学学报(自然科学版)，2017，47(4)：114—120．SHIPeng，ZHAOShi-Cheng，LIWen

3、-Dong，eta1．Biterrorrateandkeygenerationrateforunderwaterquantumkeydis—tribution[J]．PeriodicalofOceanUniversityofChina，2017，47(4)：114—120．作为量子信息科学的重要分支，量子通信以量子态为信息载体，克服了传统密码术的安全隐患，在理论上是“绝对安全”的。近年来水下无线通信技术得到了迅速发展，这得益于水下传感网络、潜艇、各种水下航行器等水下系统的通信需求[1。3]，与此同时，水下量子通信，特别是水下量子密钥分配技

4、术(Quantumkeydistribution，QKD)可以为其提供“绝对安全”的保密手段。目前，光纤量子通信、大气量子通信技术已趋于成熟[4。8]，正大步迈人实用化阶段；美国ITTExelis公司已完成水下量子通信的可行性研究[9]，相应的实验研究即将在美国海军实验室展开，因此在国内适时开展水下量子通信的研究是十分必要的。水下量子密钥分配与光纤和大气量子密钥分配的原理相同，特点是水下量子信道，关键是光子能否克服水下信道的衰减作用而成功到达接收端以及量子态(如偏振态)经过水下信道后能否被保持。由于海水环境和光学性质十分复杂，因此在海水中

5、进行量子密钥分配较为困难，通信设备还要满足防水、耐高压和续航时间长等方面的要求。S．Jaruwatanadilok等已研究了海水信道对经典光通信的影响并分析了光的偏振变化情况[9。10

6、，但并未对量子通信的误码率和成码率进行讨论。在水下量子密钥分配中，安全通信距离和通信效率受制于通信中的比特误码率和成码率(密钥生成率)。影响量子通信的误码率和成码率的因素主要有两类：第一类来自海水信道的影响，由海水的光学性质和所处环境决定。首先，海水组成复杂、光学特性多变，水对光的吸收由水分子和水中物质与光子发生相互作用时的能量损耗造成。它会降低光子的数目

7、，从而降低比特数和密钥的生成速率。其次，光子传输过程中会被水中的颗粒物散射改变传播路径，也造成了光能量的损耗，降低了成码率。若散射光被接收器接收探测到，根据Mie理论，散射会造成组成量子比特的光子偏振发生改变，引起误码。另外海水信道中的环境光会被作为噪声光子被探测到，直接影响水下量子密钥分配的误码率。第二类来自通信系统硬件性能的影响，决定硬件性能的参数主要有激光器的光脉冲频率、探测器门时间、探测器效率和光学器件参数等，它们既会影响误码率，也会影响成码率。事实上，误码率的大小也限制了密钥的成码率，因此本文将以误码率和成码率为主要的评价参数，

8、理论和实验上研究了水下量子密钥分配的信道特性和系统硬件特性等。研究内容主要涉及分立变量的量子密钥*基金项目：国家自然科学基金项目(60677044，11304174)；中央高校基本科研业务费专项(201313012)资助SupportedbyNaturalScienceFoundationofChina(60677044，11304174)；TheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(201313012)收稿日期：2014—11—02；修订日期：2015—10—15作者简介：史

9、鹏(1984一)，男，讲师，博士。E-mail：sunplion@163．tom**通讯作者：E-mail：yjgu@OUC．edu．cn4期史鹏，等：水下量子密钥分配的误码率和成码率分配(单