指向误差对量子密钥分发的影响

《IEEE Journal of Quantum Electronics》：Pointing Error Influence on Quantum Key Distribution

量子密钥分发中瞄准误差影响分析，通过瑞利和 Hoyt分布建模误差概率及提取率，发现光束腰部半径增大显著降低系统性能，对称误差较不对称误差更不利，强调精密对准的重要性。

　　

摘要：

近年来，量子密钥分发（QKD）作为一种提供安全可靠通信的解决方案而受到广泛关注。本文研究了指向误差对QKD通信系统性能的影响。根据瑞利（Rayleigh）和霍伊特（Hoyt）分布模型，我们得出了误差概率、量子比特错误率（QBER）和秘密密钥率（SKR）的解析表达式。研究结果表明，光束腰部的增加（从而导致指向误差的增大）会显著降低QKD通信系统的性能。此外，当水平和垂直方向的指向误差相等时（即对称指向误差），QKD系统的性能会比垂直和水平方向指向误差不等的情况更差。指向误差对QKD系统性能的显著影响凸显了精确光束对准的重要性，这有助于减少指向误差带来的不利影响，从而确保QKD系统在各种应用场景中的安全高效运行。

引言

量子密钥分发（QKD）最初由Bennett-Brassard在1984年（BB84）[1]和1992年（BB92）[2]提出，此后不断得到研究和改进，利用量子力学原理实现安全可靠的通信。在这个过程中，Alice（发送方）生成原始密钥，Bob（接收方）通过量子通道处理该密钥，同时潜在的窃听者（Eve）可能进行干扰。QKD协议能够识别并纠正错误，这一过程涉及对分布式密钥中的光学信号进行处理，称为“ reconciliation”（纠错）。QKD通信系统的性能已在多种传播环境中进行了分析[3],[4],[5],[6],[7],[8],[9]。在[3]中，通过利用湍流介质的波结构函数（WSF）来表达的平均功率传输界限，得出了QKD系统在近场大气湍流条件下的误差概率和筛选概率的界限，并表明湍流对系统性能的影响相对较小。为了解决区分信号光子与背景光的问题，[4]中采用了不同的滤波技术，实现了连续的安全密钥传输，使得QKD系统能够在不同的自由空间条件下使用。在[5]中提出了一种基于高通道透射率区间选择的自适应实时选择方法，以减轻湍流对QKD的影响，并通过实验测量验证了该方法对量子比特错误率（QBER）性能的改善效果。在[6]中，提出了一种基于标准自由空间光学（FSO）系统的新型QKD协议，证明了可以利用激光脉冲信号来实现QKD功能，类似于传统光学系统。由于这种系统可以使用标准电信设备，因此降低了未来安全网络的部署成本。在[7]中，研究了基于大气斜路径链路和自主飞行器（AAV）的FSO连续波QKD系统，包括下行链路和上行链路配置。根据不同参数计算了最佳接收器视场（FoV）、光束发散角和发射功率等参数，以实现可靠的通信。