超奈奎斯特速率连续变量量子密钥分发的协议设计和验证

Nowadays, the high spectral efficiency wavelength division multiplexing system has been extensively studied in order to pack more information into the limited bandwidth, which is the goal of optical transport technologies. In the recent experimental studies of continuous variable quantum key distribution (CV-QKD), the implementation of dense wavelength division multiplexing technique could relax the bottleneck problem of electronics processing speed for CV-QKD. However, how to improve the secret key rate of sub-channels is still a notoriously hard problem. Based on the faster-than-Nyquist (FTN) optical transmission theory and the advanced digital signal processing technology, in this project, we will propose a new kind of CV-QKD protocol that would show a high spectrum efficiency, a high secret key rate, and has both theoretical and practical security. In the fundamental research, we will study the impacts of FTN transmission characteristics, such as the inter-symbol-interference and inter-channel interference, especially the damage mechanism and compensation method of quantum signals. So that we could control the excess noise and find the optimization methods of the secret key rate with the symbol acceleration factor. In the experiment verification, to compare and evaluate our system with the state-of-art experiments, we would study the system numerical simulation, algorithm design, hardware system and system experiments. The proposed scheme would show the ability of active anti-interference for FTN quantum system, and improve the channel capacity. So that it could benefit the final key rate of CV-QKD with great potential.

发展高谱效波分复用系统是深入挖掘光谱资源的趋势。在近年高速连续变量量子密钥分发系统的相关实验研究中，我们发现成熟的密集波分复用技术能够缓解电子学处理速率瓶颈的问题，但子信道的安全码率提升方法仍有待深入研究。基于超奈奎斯特传输理论和先进的数字信号处理技术，本项目我们将设计出具备理论和实际系统安全性的新型高频谱效率、高安全码率的连续变量量子密钥分发协议。在基础理论探索环节，我们将研究码间干扰和信道间干扰等超奈奎斯特传输特征对量子信号的损伤机理以及补偿方法，从而控制系统过噪声、最优化码元加速因子和安全码率；在实验验证环节，我们将通过研究理论系统数值仿真、算法设计、硬件系统平台搭建以及系统原理性实验验证，进而评价和比较所设计协议与系统的性能。这种主动抗干扰、扩大信道容量的超奈奎斯特传输机制使得新型连续变量量子密钥分发协议具备提升安全码率的潜力。

量子密钥分发是现阶段实用化的一种量子信息处理技术，其可以从根本上提升我国网络信息安全水平。但是，当前量子密钥分发安全码率仍旧严重滞后于高速加密应用需求，因此发展和解决高成码量子密钥分发系统变得尤为重要。连续变量量子密钥分发是实现高码率密钥生成的的重要方案之一。在与现有光通信技术融合方面，连续变量量子密钥分发相比于其他方案具有先天优势。.本项目实施结合了已有的研究基础，重点围绕高码率连续变量量子密钥分发技术展开研究。具体方面，我们在高码率系统LDPC纠错码、人工智能算法辅助的系统性能和安全提升、新型量子通信协议、信道估计、超奈奎斯特系统性能分析等方面取得了一系列的研究成果，最终实现高安全性、高码率的连续变量量子密钥分发系统。.项目实施过程中，我们研究并分析了超奈奎斯特实际系统中加速因子、最小欧式距离等，研究并证明了超奈奎斯特技术在量子通信系统中具有提升密钥率的优势特点；展开人工智能算法应用解决超奈奎斯特系统中脉冲重叠造成量子态失真的影响问题；研究了最新的QC-LDPC算法和能够适应复杂信道的可变LDPC算法，为后期高码率的超奈奎斯特系统实验提供了技术基础；提出了新型的量子信道估计和参数分析方法，该方法均可以拓展到超奈奎斯特系统中，用于系统性能提升；提出了多种量子通信协议提升安全距离和码率，并研究了应用人工智能方法提升系统安全性。.总之，我们围绕连续变量量子通信实际系统展开了多项技术攻关，特别是针对超奈奎斯特系统和人工智能算法方面的成功突破，在原有连续变量量子通信的研究基础上打开了新的研究思路，达到了预期的研究目标和效果。