[论文解读] Full Implementation of four-intensity Protocol for Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution over Asymmetric Channel

Xiao‐Long Hu, Yuan Cao+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 42被引用 9

一句话总结

本文提出了一种针对非对称且不稳定的量子信道的四强度诱骗态测量设备无关量子密钥分发（MDIQKD）协议的完整实现。通过使用梯度优化方法，在联合约束下对12个独立光源参数进行优化，该方法使密钥率相比部分实现提高了1至10倍，且引入了一种新颖的损耗补偿技术，进一步提升了在不稳定信道中的性能，即使在严重非对称和波动损耗条件下也能实现高密钥率。

ABSTRACT

We study the the optimization of full implementation of the four-intensity decoy-state Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution (MDIQKD) over asymmetric and unstable quantum channel.

研究动机与目标

• 解决实际MDIQKD系统中由于非对称和不稳定量子信道导致的密钥率显著下降问题。
• 开发一种四强度诱骗态MDIQKD协议的完整实现，同时优化所有12个独立光源参数，包括强度及其概率。
• 提出一种损耗补偿方法，可动态调整以应对信道透射率波动，从而在不稳定环境中保持高密钥率。
• 通过数值仿真证明，所提方法在非对称和不稳定信道条件下均优于以往的部分实现。

提出的方法

• 协议在每位用户处采用四种强度（包括真空态），共七种总强度设置，包含12个独立参数：六种非真空强度及爱丽丝与鲍勃的六种强度概率。
• 采用基于梯度的优化方法，在强度与概率参数的联合约束下，全局最小化统计波动并最大化密钥率。
• 利用公式 $ S_{lr} = \sum_{i,j} p_A^{(i)} p_B^{(j)} S_{lr}(\eta_A^{(i)} \otimes \eta_B^{(j)}) $ 和 $ E_{lr} = \sum_{i,j} p_A^{(i)} p_B^{(j)} E_{lr}(\eta_A^{(i)} \otimes \eta_B^{(j)}) $，对所有强度与透射率组合计算增益与误码率的加权平均值。
• 引入一种损耗补偿技术，当 $ \eta_A^{(i)}/\eta_B^{(j)} > \delta $ 或 $ \eta_B^{(j)}/\eta_A^{(i)} > \delta $ 时，通过目标补偿值 $ \tilde{\eta}' $ 调整有效透射率。
• 该方法在信道条件波动时动态选择 $ \delta $ 与 $ \tilde{\eta}' $，以在多种透射率分布下最大化密钥率，优化过程在多个透射率分布上执行。

实验结果

研究问题

• RQ1 与部分实现相比，四强度MDIQKD协议中对12个独立光源参数的完整优化是否能显著提升非对称信道中的密钥率？
• RQ2 MDIQKD在非对称和不稳定信道条件下的性能如何退化？这种退化是否可被缓解？
• RQ3 在具有波动透射率的不稳定信道中，损耗补偿参数 $ \delta $ 与 $ \tilde{\eta}' $ 的最优配置为何，才能使密钥率最大化？
• RQ4 当爱丽丝与鲍勃之间信道损耗比显著变化时，所提方法在多大程度上仍能维持高密钥率？

主要发现

• 在典型实验条件下，四强度MDIQKD协议的完整实现相比部分实现，密钥率提高了1至10倍。
• 在10 km与60 km路径长度的非对称信道中，优化后的密钥率达到每脉冲对 $ 6.299 \times 10^{-5} $，显著优于参考方法的 $ 3.106 \times 10^{-5} $。
• 对于50 km与100 km的非对称链路，优化后的密钥率为 $ 6.576 \times 10^{-8} $，而参考方法仅为 $ 4.786 \times 10^{-11} $，实现1,374倍的性能提升。
• 在具有五个透射率等级的不稳定信道中，最优损耗补偿设置（$ \delta = -8.75 $ dB，$ \tilde{\eta}' = 4.5 $ dB）产生的密钥率为 $ 2.2283 \times 10^{-6} $，为所有测试配置中的最高值。
• 不恰当的损耗补偿（如 $ \delta = -7 $ dB，$ \tilde{\eta}' = 5 $ dB）会降低密钥率，证实了对补偿参数进行精确优化的必要性。