長距離量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)

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1、長距離量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)長距離量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)長距離量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)【摘要】：量子保密通信提供了一種絕對安全的通信方案，它的安全性由不可改變的自然規(guī)律保證，是任何技術都無法攻破的。本文以實用的長距離量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)為研究目的，圍繞著困擾長距離量子密鑰分發(fā)的三個主要技術障礙，分別就糾纏光子產(chǎn)生，單光子探測，穩(wěn)定和安全的量子密鑰分發(fā)方案展開研究。我們通過BBO晶體內(nèi)非共線光參量放大，同時實現(xiàn)了光參量下轉換和上轉換。這種光子級聯(lián)四波混頻過程產(chǎn)生了紫外和可見的糾纏彩虹對。彩虹對由波長連續(xù)變化的紫外和可見光子組成，這些光子一一對應相互糾纏，并且按照角度變化組成彩虹環(huán)。糾纏彩虹對能夠同時提

2、供多波長的糾纏光子對，其中紫外糾纏光子能夠用于產(chǎn)生進一步糾纏。進而，本文提出了基于多波長糾纏光子對的高效的量子通信網(wǎng)絡方案。在單光子探測研究中，本文提出了電容平衡門脈沖單光子探測技術，利用可調電容產(chǎn)生一個相同的尖峰噪聲，然后通過差模網(wǎng)絡抵消。該技術克服了尖峰噪聲的影響，使基于InGaAs／InP-APD的近紅外單光子探測器能夠工作在最佳狀態(tài)，獲得了極高的信噪比，其在1550nm的暗計數(shù)與探測效率比為1.7×10~(-6)／脈沖，是目前國際上最好的指標之一?；陔娙萜胶忾T脈沖單光子探測技術，我們隨即成功開發(fā)了新型的近紅外單光子探測器，它具有操作簡便，結構緊湊，性能優(yōu)異，工作穩(wěn)定

3、等特點。我們提出和實現(xiàn)了基于Sagnac干涉儀的量子密鑰分發(fā)方案，被美國LosAlamos國家實驗室的量子保密通信路線圖列為代表性方案之一。隨后我們在50km光纖中完成了長期穩(wěn)定的PlugPlay量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，平均光子數(shù)0.1，誤碼率低于4％。在該PlugPlay系統(tǒng)基礎上，我們利用自行研制的高信噪比的近紅外單光子探測器，實現(xiàn)了155km單光子路由實驗，干涉對比度達到87％。由于光纖本身不均勻，以及外界壓力和溫度變化，使得光纖雙折射無規(guī)則隨機變化，從而使偏振態(tài)在長距離光纖中無法穩(wěn)定傳輸。本文發(fā)展了一種單光子水平的偏振反饋補償技術，解決了偏振光在光纖中傳輸時因光纖雙折射變化

4、引起的隨機抖動，在長距離光纖中實現(xiàn)了長時間穩(wěn)定的單光子水平的偏振態(tài)傳輸，并首次在100km長距離光纖中實現(xiàn)了基于偏振編碼的量子密鑰分發(fā)模擬實驗。我們在實驗上模擬了截取-重發(fā)攻擊，并且提出了基于強參考光的量子密鑰分發(fā)方案，通過監(jiān)測強參考光，可以有效地阻止光子分束攻擊，從而使基于相干光源的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離延長至146km?！娟P鍵詞】：量子保密通信量子密鑰分發(fā)單光子探測糾纏光子Sagnac干涉儀單光子路由截取-重發(fā)攻擊光子分束攻擊【學位授予單位】：華東師范大學【學位級別】：博士【學位授予年份】：2007【分類號】：TN918【目錄】：摘要6-8Abstract8-10目錄

5、10-13第一章引言13-151.1經(jīng)典密碼學131.2量子保密通信13-141.4論文內(nèi)容安排14-15第二章量子保密通信簡介15-262.1量子保密通信的量子力學基礎15-172.1.1量子態(tài)疊加和量子比特152.1.2測不準原理與量子不可克隆定理15-172.2量子密鑰分發(fā)協(xié)議17-202.2.1BB84協(xié)議17-192.2.2EPR協(xié)議19-202.3量子密鑰分發(fā)發(fā)展現(xiàn)狀20-242.3.1空間-相干光量子密鑰分發(fā)212.3.2空間-單光子量子密鑰分發(fā)21-222.3.3空間-糾纏光子對量子密鑰分發(fā)222.3.4光纖-單向-相干光量子密鑰分發(fā)22-232.3.5光纖-

6、單向-糾纏光子量子密鑰分發(fā)232.3.6光纖-雙向-相干光量子密鑰分發(fā)232.3.7高速量子密鑰分發(fā)23-242.4量子密鑰分發(fā)的實際技術瓶頸24-26第三章多波長time-bin糾纏光子26-403.1EPR佯謬和Bell不等式26-303.1.1EPR佯謬26-283.1.2Bell不等式28-303.2糾纏光子源簡介30-333.2.1偏振糾纏光子30-323.2.2Energy-time和time-bin糾纏光子32-333.3多波長time-bin糾纏光子源33-393.3.1糾纏彩虹對實驗裝置33-343.3.2糾纏彩虹對的產(chǎn)生機制34-363.3.3彩虹對的光子

7、關聯(lián)性363.3.4糾纏彩虹對的關聯(lián)特性36-383.3.5糾纏光子的波長調諧38-393.4小結39-40第四章單光子探測40-654.1單光子探測概述40-444.2近紅外單光子探測器研究44-494.2.1蓋革模式及其抑制電路44-464.2.2雪崩光電二極管的特性及單光子探測性能參數(shù)46-484.2.3門脈沖單光子探測48-494.3雙APD平衡門脈沖單光子探測49-544.3.1雙APD平衡門脈沖單光子探測電路設計49-504.3.2雙APD平衡門脈沖單光子探測尖峰噪聲抵消50-524.3.3