量子保密通信系统及其关键技术的研究

量子保密通信系统及其关键技术的研究

【摘要】：量子信息学的研究发现，如果能通过量子态编码来传送密码信息的话，那么依据量子力学不确定性原理，任何对量子载体的测量或复制行为都将改变原量子态。这为我们提供了一种主动发现窃听者的方法，即量子保密通信。与任何传统密码术都不同的是，它借助于自然法则的威力，从根本上杜绝了非法窃听的可能性，将为人们提供一种“无条件”的安全通信方法。本文工作致力于量子保密通信技术初步实用化的研究，目标是探索量子密钥分发的新方案与新技术，并完成长距离长期稳定的光纤型量子密钥分发系统。在量子密钥分发方案研究方面，我们主要着力于提高保密通信的稳定性和成码率。因而我们首先提出了基于Sagnac干涉仪的量子保密通信方案。该方案巧妙地使用了环形光路的结构，不借助任何主动或被动元件就可以自动补偿相位抖动；采用分时相位调制技术控制单光子干涉，密码交换方法简单可靠。是目前为数不多的利用双向自动补偿而实现稳定传输密钥的长距离保密通信方案之一。本论文还提出了法拉第反射镜与相位差分方案结合(“PhlgPlay”+DSP)的量子密钥分发方案。该方案通过相位调节伺服系统和往复光路补偿技术，能够有效地克服单光子单向传输过程中的相位抖动和偏振模式色散(PMD)等问题，具有高稳定性；并结合Yamamoto等人提出的相位差分编码方法，能够实现高达2／3的密钥成码率。该方案还具有很强的可扩展性。在不改变总体结构的情况下，仅仅通过增加部分光路元件的方法就可以使密钥成码效率提

高到(n-1)／n(n=3，4，5，…)，是一种有潜力的新方案。围绕量子保密通信系统的研究，我们发展了一系列关键性的技术。在单光子探测方面，我们提出了多种单光子探测的技术方案。解决了APD光纤耦合、低温制冷控温(-50℃--110℃)等技术难题，研制出实用化的单光子探测器，并成功应用于单光子干涉实验和量子保密通信系统中，为红外单光子信息处理等领域提供了高灵敏的探测手段。其核心指标，暗计数率与量子效率的{确要比值(Pd/几)超过商售同类产品一个数量级。为解决相位差分编码方案中时间信息检测的问题，找们提出了一种基于多重探测门(multi一gate)的单光子11寸序检测器(Timediseriminator)。一般认为，山于InGaAS雪崩光电二极管的后脉冲发生机率较大，不适于快速的时间探测。而实验中我们恰恰不lJ 用了发生在{i汀后相继的多个脉冲门中的后脉冲来帮助识别单光子时间信息，为近红外单光子时序检测提供了一种有效方法。在单光子十涉和单光子操控的研究中，我们提出并实现了华十光纤S雌11ac 干涉仪的长距离单光子干涉和单光子路山实验。在50公啾的光纤环路中获得的单光子干涉可见度达到95%;基于s雌11ac二卜涉仪的长距离单光子路山器有望应运于单光子量子信息研究。我们还发展了偏振量子随机源技术，首次将USBZ.O数据接口应用于高速光量子真随机信号发生器，实现了“即插即用”的功能。该系统使用简便，随机码的采样速率可达SMHZ，随机数的序列相关性达到10一“量级，单字节嫡值不小于7.99;将为量子保密通信的安全性提供有力保障。该随机信号发生器也适用于经典密码学和模拟计算等其它领域。最后，采

用了精确我们研制完成了50.6公里通信光纤中的量子密钥分发系统。该系统电子学同步触发和偏振无关的相位调制技术，并应用自行训敏单光子探测仪，准单光子脉冲平均光子数小于0.1，误码率仅为4%，制的!佰灵充分保证了量子通道的安全性;该系统还应用了自行旬{制的华于IJ5B2.0量子保密通信专用数据采集系统，具有“即插即用”的特点。密钥分发的稳定工作时问不小于12小时，所生成的随机密钥可直接用一于图象加密的演示实验。该系统一J一二2004年9月26日通过了_上海市科委组织的专家鉴定〕此前，我们还完成了国内第一台光纤量子保密通信样机系统，成功地进行了局域网的图象通信实验，井参力11了上海国际工业一博览会的展出，初步显示了量子密码术的应用前景。【关键词】：量子信息学量子保密通信量子密码术量子密钥分发单光子干涉量子随机源相位调制

【学位授予单位】：华东师范大学

【学位级别】：博士

【学位授予年份】：2005

【分类号】：TN918

【目录】：摘要6-9Abstract9-12目录12-16第一章引言16-24密码学简史16-18量子密码术概况18-20参考文献20-24第二章量子信息和量子密钥24-422．1量子信息学简介24-282．1．1量子比特和量子

叠加态24-252．1．2量子不可克隆定理25-272．1．3测量导致对量子信息的扰动27-282．2量子密码术原理28-392．2．1一次性便签密码28-292．2．2单光子信息编码29-312．2．3量子密钥分发31-39参考文献39-42第三章单光子探测器42-683．1雪崩光电二极管(APD)43-453．1．IP-N结的雪崩效应43-443．1．2APD的结构44-453．2基于APD的单光子探测技术45-493．2．1APD的特性参数46-483．2．2雪崩电流的抑制48-493．3双APD平衡差分门控方式单光子检测器49-543．3．1平衡相消工作原理50-513．3．2APD直流偏置电压和门控脉冲513．3．3平衡差分门控单光子探测器实验结果51-543．4高性能单光子探测仪54-573．4．1两种APD的比较与选用54-553．4．2分立电容补偿APD结电容553．4．3实用化单光子探测仪55-573．5多重探测门与单光子时序检测57-603．5．1单光子时序检测原理57-583．5．2单．光子时序检测实验58-603．6双门控(Dualgate)模式红外单光子探测器60-653．6．1电路原理613．6．2实验装置61-623．6．3偏压门的延时与后脉冲的抑制62-633．6．4双门控单光子探测器的量子效率与暗噪声63-65小结65参考文献65-68第四章单光子干涉及路由控制68-884．1单光子干涉68-814．1．1单光子源68-694．1．2单光子干涉仪69-744．1．3Sagnac单光子干涉实验(1)74-764．1．4Sagnac单光子干涉实验(2)76-814．2Sagnac单光子路由技术81-844．2．1使用一个控制端的单光子路由实验81-824．2．2双控制端单光子路由实验82-84小结84参考文献84-88第五章量子随机源实验88-965．1光子偏振编码产生随机数88-905．2’即插即用’