- 背景
1.1 目的
为了模拟完整的量子密钥分发实验，直观感受量子密钥分发所使用的经典BB84协议的实现过程，并将分发后的密钥进行数据加密作为通信使用。还可以根据需求，增加EVE攻击模块、诱骗态模块、单光子探测器模块等。
1.2 量子理论
量子是物理界最小的不可再分的基本单位，比如光的最小单位就是光子即“光量子”，就是一种量子。
在量子通信中，使用光子的偏振态（也可以是光子的相位、位置信息），传递信息。
图1-1
以偏振态为例，单光子被调制到指定偏振角度，接收端通过一个偏振分束器将光子分束到D1或D2任一单光子探测器。
D1检测到单光子的概率为cos2θ，D2检测到单光子的概率为sin2θ。
1.3 协议简介
BB84协议是1984年Charles H.Bennett和Gilles Brassard提出的QKD协议，也是第一个QKD协议BB84协议中发送方随机发送两组非正交基矢下的单光子，接收方随机选择基矢进行测量，理想情况下在二者使用相同基矢时，双方将会得到安全且一致的密钥。BB84协议需要两组非正交基矢编码，在偏振编码下可以选择水平竖直基矢(通常记为Z基矢)，包含|H>和|V>两个偏振态，和对角基(通常记为X基)，包含|±>=(|H>±|V>)/2两个偏振态，一般也叫作|+>和|->偏振。这样四个态通常被称为BB84态。
BB84协议基本运行流程如下：Alice从四个BB84态中随机选择一个制备单光子量子态，然后通过个量子信道发送给Bob。Bob接收到 Alice发来的量子态后，从Z和X基中随机选择一个进行测量，并记录下测量结果。然后Alice和Bob通过公开认证信道比对编码基矢和测量基矢，保留下相同基矢部分的编码比特和测量结果，由此得到一串原始密钥。
Alice和Bob可以通过随机公开部分比特抽样得到对误码率的估计。如果误码率超出一定的理论闻值，则抛弃这串原始密钥重新进行以上过程，否则通过纠错和隐私放大等数据后处理过程得到一串安全密钥。纠错可以将含有误码的原始密钥纠正为完全相同的密钥串，而隐私放大则通过压缩密钥的长度使得Eve获得的密钥的信息量降低到充分小。
图1-2
2.产品简介
2.1 产品组成
系统产品由一台发射机、一台接收机和适配软件组成。
图2-1 Alice发射机整机外观图
图2-2 Alice发射机主视图
图2-3 Bob接收机整机外观图
图2-4 Bob接收机主视图
2.2 核心特性
- 使用经典的方式演示学习量子密钥分发的过程，更加通用、普及
- 使用硬件生成的数据直接进行BB84协议的基矢比对过程，更加接近实际
- 展示数据后处理过程，了解纠错和隐私放大的整个过程
- 可以实现连续的量子密钥生成过程
- 将生成的密钥应用在实际的通信过程中，对量子密钥分发的作用有更深的认识
2.3 主要功能
- 偏振制备和检测实验
- 数据后处理实验
- 密钥分发实验
- 加解密实验
2.4 技术指标
| 参数名称 | 指标 | 单位 | 备注 |
| 编码方式 | 偏振编码 | ||
| 波长 | 1550 | nm | |
| 工作频率 | 100 | kHz | |
| 探测效率 | 10~30 | % | 可调 |
| 误码率 | ＜3% | ||
| 光接口 | FC/PC | ||
| 供电 | 12V适配器 | 小于5A |
2.5 设备连接
电脑为两台一体机，正常实验时需要将电源接好，两端同步使用一根SMA线缆进行连接。选择单模光纤进行连接，连接时需要注意光纤的清洁和法兰的正确安装。
网络全部使用网线连接，一般是设备之间需要连接，以实现两端数据的交互。电脑与设备之间连接，以实现指令的下发、状态的上传，以及原始数据的交互。
图
2-5 设备连接示意图
量子研学（其他实验研学)）