水下信道中量子密钥分发的性能分析
信号处理
2022-08-25 v1 密码学与安全
量子物理
摘要
当前关于量子密钥分发(QKD)的文献主要局限于光纤、大气或卫星链路上的传输，无法直接适用于具有不同信道特性的水下环境。水下信道中的吸收、散射与湍流严重限制了量子通信链路的距离。本文第一部分分析了著名 BB84 协议在水下信道中的量子比特误码率(QBER)与密钥生成率(SKR)性能。作为路径损耗模型，我们采用考虑散射效应的修正版 Beer-Lambert 公式。我们推导了波结构函数的闭式表达式以确定湍流水下路径上的平均功率传输，并据此给出 QBER 的上界与 SKR 的下界。第二部分中，作为克服距离限制的潜在方案，我们研究多跳水下 QKD，即源节点与目的节点间的中间节点协助密钥分发。我们考虑部署被动中继，其仅将量子比特重定向至下一中继节点或接收端而不做任何测量。基于近场分析，我们给出了中继辅助 QKD 方案在不同水体类型与湍流条件下的 QBER 与 SKR 性能。最后一部分，我们探究了诱饵态 BB84 协议在湍流水下信道中的基础性能极限，并给出全面的性能表征。基于近场分析，我们利用波结构函数确定湍流水下路径上的平均功率传输，并据此获得密钥生成率的下界。基于该下界，我们给出了诱饵态 BB84 协议在不同水体类型中的性能。
引用
@article{arxiv.2208.11493,
title = {Performance Analysis of Quantum Key Distribution in Underwater Channels},
author = {Amir Hossein Fahim Raouf},
journal= {arXiv preprint arXiv:2208.11493},
year = {2022}
}
备注
Master's thesis. arXiv admin note: text overlap with arXiv:2206.06514