全光纤四态分离调制连续变量量子密钥分发解读

全光纤四态分离调制连续变量量子密钥分发

【摘要】：现代社会已经步入信息化时代,信息安全的重要性日渐凸显。能够保障信息安全的密码学越来越受到人们的重视,其应用已渗透到人们日常生活的各个领域。基于量子力学基本原理的量子密钥分发可以使合法通信双方获得一组的无条件安全的随机密钥,该密钥可用于信息的加密与解密,进而实现双方的保密通信,任何第三方的窃听都可以被通信双方察觉到。量子密钥分发的无条件安全性,使得相关的理论和实验进入了一个飞速发展的时期,在未来的国防、金融、网络和通信等领域具有广阔的应用前景。连续变量量子密钥分发利用光场的正交分量作为信息的载体,所需光源易于制备,探测效率高,同时和当前的光通信网络具有良好的兼容性,近年来受到极大关注,在理论和实验方面均得到了迅猛的发展。按照调制方式可将相干态连续变量量子密钥分发分为高斯调制和非高斯调制方案,四态分离调制方案属于非高斯调制方案,具有调制方法简单、数据协调效率高等优点,理论上可以实现距离长达百公里以上的安全密钥分发。本论文从理论和实验两方面对基于该方案搭建的全光纤连续变量量子密钥分发系统展开了研究。论文首先回顾了连续变量量子密钥分发的国内外发展动态,接下来对该领域内的基础理论知识进行了介绍,并对基于平衡零拍探测的四态分离调制连续变量量子密钥分发的无条件安全性进行了分析。然后对适用于该领域的全光纤脉冲平衡零拍探测装置的各种特性及相应测量结果进行了分析,最后介绍了基于全光纤器件的实验系统,

目前已在该系统上实现了距离为30km,安全密钥速率为1kbits/s的量子密钥分发。本论文的主要工作内容包含以下三个方面。1.理论分析了基于平衡零拍探测的四态分离调制相干态连续变量量子密钥分发方案的两种模型,它们是制备与测量模型和EPR纠缠模型。在制备与测量模型中介绍了所选方案的编码规则,经过编码后双方可获得一组相关联的二进制数。在该模型下,形象地给出了信号光场以及额外噪声在相空间中的演化过程。在EPR纠缠模型下对所选方案的无条件安全性进行了分析。首先介绍了系统中的各种噪声,将Alice端的源额外噪声等效为Fred所拥有的量子态,接着给出了Alice和Bob之间互信息量的计算方法,Bob采用了平衡零拍的探测方法。然后详细地分析了Eve可获得的信息量的上限Holevo边界的计算过程。最后给出了安全密钥速率及额外噪声的计算方法。额外噪声是决定密钥分发的距离及安全密钥速率大小的关键因素。两种模型是等价的。在安全性的证明过程中,假设Eve拥有各种可能存在的先进装备,但是她的攻击手段并不能违背量子力学原理而且无法获得Bob端的装置的信息。在Eve可以获得Fred的量子态时,Alice端的源额外噪声与通道额外噪声是等效的。2.设计并制作了适用于量子通信领域的全光纤时域脉冲平衡零拍探测装置,该探测装置的脉冲重复速率可达2MHz,增益为3.2μV/光子,共模抑制比为76dB,信噪比可达20dB以上,总的量子效率为66%。论文详细分析了该探测装置的工作原理和特性,包括共模抑制比、散粒噪声极限和探测装置的稳定性。要获得高的共模抑制比,不仅要选取两个响应特性尽量相同的光电二极管,而且要求两光电二

极管产生的脉冲光电流强度相同,在时间上精确同步,上升和下降沿平缓。在散粒噪声极限特性的测试中；通过测量输出电脉冲峰值的相关系数验证了探测装置具有良好的脉冲分辨率；对不同本地光功率下的真空散粒噪声起伏进行了测量,并绘制出了线性响应曲线,验证了探测装置具有良好的线性响应特性；将探测装置输出的脉冲峰值采集并进行快速傅里叶变换后,获得了平坦的噪声功率谱。经分析利用探测装置的线性响应曲线可方便地计算出装置整体的量子效率。为了获得良好的稳定性,在光路方面采用了基于耦合器尾纤的可变衰减器和稳定的连接器等因素,在电路方面通过合理布线等各种方法使探测装置具有较高的信噪比,且光电二极管两端具有稳定的偏置电压,从而确保了两光电二极管产生的光电流的强度和时间具有良好的稳定性。经分析具有较高信噪比的探测装置可使用较低功率的本地光,从而减弱温度,振动等外界因素的干扰。采用阿伦方差的方法对探测装置的稳定性进行了测量,其单次测量无校验窗口为100秒。3.设计并实验实现了全光纤四态分离调制连续变量量子密钥分发,通信距离为30km,重复速率为500kHz,安全密钥速率为1kbits/s。首先对该实验系统的运行原理进行了详细的介绍,Alice按照协议对相干态进行调制,被调制的相干态经量子信道传送给Bob,后者使用脉冲平衡零拍探测装置对接收到的量子态光场进行共轭正交分量的随机测量。载有密钥信息的相干态脉冲以数据帧的形式进行发送,数据帧由数据块构成。数据块是对相对相位进行运算并对其进行锁定的基本单元,实验中采用相位补偿的方法对系统运行过程中的相对相位进行锁定。为了获得良好的锁定精度,

要求数据块的时间要远小于相位自由运转的周期,且数据块中用于相位锁定的测试脉冲数要足够多。为了确保数据帧的传输有稳定的环境,论文重点分析了可变衰减器和三环偏振控制器的稳定性。接下来对实验系统的参数及结果进行了分析,并给出了重要参数额外噪声的测量与计算方法。通过对比三种不同光路下的相位锁位锁定情况,发现了影响相位锁定精度的主要原因是用于时分复用的保偏光纤,并给出了由于相位锁定误差而引入的额外噪声的估算方法。提出了本地光场对信号光场干扰的测量方法,并对其干扰进行了测试。经分析由于瑞利散射等原因,本地光场会对信号光场有一个几十kHz以下的干扰,通过降低本地光的功率可有效地减小对信号光场的干扰。【关键词】：连续变量量子密钥分发四态分离调制相干态平衡零拍探测额外噪声

【学位授予单位】：山西大学

【学位级别】：博士

【学位授予年份】：2013

【分类号】：O413.1;TN918.1

【目录】：中文摘要10-13ABSTRACT13-17第一章绪论17-271.1引言17-181.2国内外发展现状18-251.2.1离散变量量子密钥分发18-191.2.2连续变量量子密钥分发19-251.3论文主要内容25-261.4主要创新点26-27第二章量子信息的基础知识27-452.1光场的量子化27-292.1.1单模光场的经典描述272.1.2单模光场的量子化27-282.1.3光子数态28-292.1.4光场的正交分量算符292.2量子测不准原理292.3量子不可克隆定理29-302.4相干态30-332.4.1相干态的定义