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OptiSystem應(yīng)用：BB84協(xié)議仿真

本案例利用OptiSystem構(gòu)建量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議的建模與仿真框架。該框架重點(diǎn)研究量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)組件，通過(guò)模擬BB84協(xié)議在多種竊聽(tīng)場(chǎng)景下的運(yùn)行機(jī)制及抗噪聲密鑰分發(fā)過(guò)程，評(píng)估內(nèi)置光子組件在實(shí)驗(yàn)配置中的有效性。仿真結(jié)果為分析光子組件對(duì)QKD過(guò)程的影響提供了研究基礎(chǔ)。

首先，我們搭建一個(gè)如圖1所示的發(fā)射端部分。

圖1.發(fā)射端（Alice）系統(tǒng)布局

在上圖中，我們配置了連續(xù)波光源（CW激光器），并通過(guò)衰減值為0.1的光衰減器實(shí)現(xiàn)單光子量級(jí)輸出。系統(tǒng)設(shè)置了四種偏振片：水平、垂直、左對(duì)角和右對(duì)角偏振片。通過(guò)"Select"組件隨機(jī)選取四種偏振角度之一生成量子比特。

接下來(lái)，我們搭建如圖2所示的接收端部分。

圖2.接收端（Bob）部分系統(tǒng)布局

 

接收端同樣采用" Select "組件模擬隨機(jī)選擇線性基（水平/垂直）或?qū)�角基（�?右）的測(cè)量過(guò)程。

在本案例中，我們基于"攔截-重發(fā)"攻擊策略和"中間人"攻擊進(jìn)行概括性建模。在我們的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，Eve被設(shè)定為Alice和Bob之間的連接樞紐。她可以采取多種手段獲取密鑰，或者直接阻斷通信傳輸。圖3展示了Eve對(duì)BB84協(xié)議實(shí)施的不同安全攻擊方式。

圖3.攻擊端（Eve）系統(tǒng)布局

具體而言，Eve可以對(duì)傳輸中的量子比特進(jìn)行攔截，并使用線偏振片、對(duì)角偏振片、移相器或光子旋轉(zhuǎn)器進(jìn)行測(cè)量。她可以向Bob發(fā)送新的量子比特，也可以發(fā)送空量子比特或Alice的原始量子比特。我們使用"Select"組件來(lái)模擬Eve的隨機(jī)攻擊行為。

下面，我們考慮量子比特經(jīng)自由空間光（FSO）傳輸后對(duì)眼圖的影響。圖4（a、b、c、d）依次為無(wú)Eve無(wú)FSO、有Eve無(wú)FSO、無(wú)Eve有FSO以及有Eve有FSO的BB84系統(tǒng)布局。

  

 

最后，我們比較圖4的a、b、c和d運(yùn)行的眼圖結(jié)果，如圖5所示。