量子密钥分发利用量子物理的奇异规则，通过即时检测窃听者来实现超安全通信。但如果发射器和接收器未能完美对准，即使最安全的量子链路也可能出现故障。研究人员现在深入研究了这一常被忽视的问题，构建了一个强大的新分析框架，以理解由振动、湍流或机械缺陷引起的微小光束偏移如何破坏安全密钥的生成。
由于这种内置的检测特性，QKD 被认为是目前正在研发的最安全的通信技术之一。
指向误差如何影响 QKD 性能
影响 QKD 工作效果的关键因素之一是指向误差，即当发射器和接收器未完美对准时发生的情况。即使是微小的未对准也会干扰正在交换的量子信号。这种情况可能由多种原因引起，包括机械振动、大气湍流和/或对准系统的不完善。
尽管指向误差在系统可靠性中起着重要作用，但在 QKD 光无线通信系统中，它尚未得到深入研究。
一种针对光束未对准的新分析框架
为了更好地理解这个问题，研究人员在《IEEE 量子电子学选刊》上发表了一项研究，引入了一个详细的分析模型来衡量指向误差如何影响 QKD OWC 系统的性能。
土耳其 OSTIM 技术大学的 Yalçın Ata 教授解释说：“通过将光束未对准的统计模型与量子光子探测理论相结合，我们推导出了 QKD 系统关键性能指标的分析表达式，阐明了指向误差在降低安全密钥生成中的确切作用。”
该团队专注于广泛使用的 BB84 QKD 协议。为了更真实地模拟光束未对准，他们应用了瑞利分布和霍伊特分布。与早期研究中使用的简化方法相比，这些统计工具能更准确地表示水平和垂直方向的光束变化，从而更清晰地揭示随机指向误差的行为方式。
测量误码率和安全密钥生成
使用这些改进的统计模型，研究人员推导出了在指向误差下的误码概率和对基概率的分析表达式，这在该领域尚属首次。据此，他们计算了量子误码率，它反映了由系统噪声、环境条件、硬件不完善或窃听尝试引起的损坏比特的百分比。由于 QBER 能够体现整体系统可靠性，因此它是一个关键性能指标。
然后，他们使用 QBER 来确定密钥生成率，该指标衡量安全共享密钥的生成速度。该分析同时考虑了对称光束未对准和水平与垂直偏差不同的非对称条件。
结果揭示了关于量子安全的什么信息
研究结果表明，随着束腰增加，指向误差也会增大，导致 QBER 升高和 SKR 降低。换句话说，随着未对准变得更加明显，性能会下降。扩大接收器孔径可以改善结果，但仅限于一定程度。
有趣的是，非对称光束未对准在某些情况下被证明是有益的，其性能优于完全对称的误差。研究人员还确定，要生成非零的 SKR（这对于安全通信至关重要），需要增加平均传输光子数。
Ata 教授总结道：“我们基于瑞利和霍伊特框架的研究结果与现有的广义模型一致，同时在指向误差中非对称性的作用方面提供了新的分析清晰度。”