量子加密竟因一个出人意料的简单漏洞而失效

由于内置检测功能，量子密钥分发（QKD）被认为是目前正在开发的最安全通信技术之一。指向误差如何影响QKD性能影响QKD工作效果的一个关键因素是指向误差，即发射端与接收端未完全对准时发生的情况。即使轻微的对准偏差也会干扰正在交换的量子信号。这可能由多种原因引起，包括机械振动、大气湍流和/或对准系统的缺陷。尽管指向误差对系统可靠性有重要影响，但在QKD光无线通信（OWC）系统中尚未得到深入研究。针对光束偏移的新分析框架为更好地理解这一问题，研究人员在《IEEE量子电子学杂志》发表研究，提出了详细的分析模型，用于衡量指向误差对QKD光无线通信系统性能的影响。“通过将光束偏移的统计模型与量子光子检测理论相结合，我们推导出了QKD系统关键性能指标的解析表达式，明确了指向误差在降低安全密钥生成中的具体作用，”土耳其OSTIM技术大学的Yalçın Ata教授解释道。该团队重点研究了广泛使用的BB84 QKD协议。为更真实地模拟光束偏移，他们应用了瑞利（Rayleigh）分布和霍伊特（Hoyt）分布。这些统计工具比早期研究中使用的简化方法更准确地反映了光束在水平和垂直方向的变化，从而更清晰地呈现了随机指向误差的表现。测量错误率和安全密钥生成利用这些改进的统计模型，研究人员首次推导出了指向误差下的错误概率和筛选概率的解析表达式。在此基础上，他们计算了量子比特错误率（QBER），该指标反映了由系统噪声、环境条件、硬件缺陷或窃听尝试导致的损坏比特百分比。由于QBER能反映系统的整体可靠性，因此是关键性能指标。然后，他们利用QBER确定安全密钥生成速率（SKR），即安全共享密钥的生成速度。分析同时考虑了对称光束偏移和不对称情况（水平和垂直偏差不同）。研究结果揭示的量子安全问题研究结果表明，随着光束腰增大，指向误差也会增加，导致QBER升高、SKR降低。换句话说，偏差越明显，性能越差。扩大接收孔径可以改善结果，但仅在一定限度内。有趣的是，不对称光束偏移在某些情况下被证明是有益的，比完全平衡的误差表现更好。研究人员还确定，要生成非零SKR（这对安全通信至关重要），需要增加传输的平均光子数。“我们基于瑞利和霍伊特框架的研究结果与现有广义模型一致，同时为指向误差中不对称性的作用提供了新的分析清晰度，”Ata教授总结道。