高效低誤碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)研究.pdf

1、量子密鑰分發(fā)（Quantum：Key Distribution）作為量子力學(xué)和密碼學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，有區(qū)別于經(jīng)典通信方式的絕對安全性。在軍事、外交、國防等信息安全領(lǐng)域有重大的實用價值。
　　 論文主要圍繞高效、低誤碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)進行了系統(tǒng)、深入的研究。在提高量子密鑰分發(fā)協(xié)議的密鑰生成效率方面，我們提出了一種通過利用相位編碼系統(tǒng)中的尾脈沖來進一步提高系統(tǒng)成碼效率的新方法，構(gòu)建了基于路徑選擇單元的BB84相位編碼和差分相位編碼的實

2、驗系統(tǒng)。采用該實驗系統(tǒng)，可以將這兩種協(xié)議的光子利用率提高到100％，分別實現(xiàn)了密鑰生成效率為50％的BB84相位編碼方案和密鑰生成效率為1000％的差分相位編碼方案。在降低系統(tǒng)的誤碼率方面，我們主要研究了光脈沖在長程傳輸中傳輸延時的特征，它對系統(tǒng)誤碼的影響以及相應(yīng)的物理模型和解決方案。通過實驗證明了基于波分復(fù)用技術(shù)的同步方式可以很好地消除傳輸延時對系統(tǒng)同步探測的影響，并提出了一種利用調(diào)節(jié)時鐘光和信號光相互作用截面來減小系統(tǒng)誤碼的同步方法

3、。針對光脈沖由于傳輸延時引起的時間抖動對系統(tǒng)相干檢測過程誤碼的影響，在理論上給出了時間抖動影響系統(tǒng)誤碼的物理模型，建立了時間抖動的統(tǒng)計參數(shù)和系統(tǒng)誤碼率之間的定量關(guān)系。
　　 本學(xué)位論文的主要工作包括：
　　 1.系統(tǒng)協(xié)議效率的提高是量子密鑰分發(fā)領(lǐng)域的一個重要課題。從第一個光纖型的M-Z干涉儀方案提出以來，相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)得到了很好的發(fā)展。無論是BB84相位編碼系統(tǒng)，還是差分相位編碼系統(tǒng)，都是通過脈沖干涉來解

4、調(diào)相位信息的。在檢測相位信息時，所分裂的子脈沖總是不能被完全利用。針對這個問題，我們提出了一種重新利用尾脈沖來提高系統(tǒng)協(xié)議效率的新方法，設(shè)計了一種全新的差分相位編碼方案。與傳統(tǒng)的差分相位編碼系統(tǒng)相比，我們在Bob端引入了一個光開關(guān)控制的光纖延遲環(huán)，重新利用被丟棄的子脈沖來獲得相位信息，使系統(tǒng)的協(xié)議效率提高到了100％。同時，我們還提出了一種基于偏振路徑選擇的高效穩(wěn)定的BB84相位編碼方案。系統(tǒng)方案采用了偏振分束器和雙不等臂的法拉第反射鏡

5、干涉環(huán)，實現(xiàn)了光脈沖的偏振選擇路徑方式，光子得到充分的利用，方案的協(xié)議效率達到了50％。
　　 2.利用基于弱相干光的差分相位編碼系統(tǒng)，我們進行了75km戶外光纖的量子密鑰分發(fā)同步性能測試實驗。分別對目前常用的三種不同的同步方式（基準時鐘同步，雙光纖系統(tǒng)同步和WDM技術(shù)同步）進行了系統(tǒng)的對比實驗，實驗表明采用WDM技術(shù)的同步方式可以大大提高探測的效率。針對目前光纖器件工藝水平造成的附加誤碼，首次提出了一種利用調(diào)節(jié)時鐘光和信號光相

6、互作用截面來減小系統(tǒng)誤碼的同步方法。通過理論計算，該方法對于75km傳輸距離的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的適用條件是工作頻率需低于7MHz。
　　 3.光脈沖在長程光纖中傳輸，會由于傳輸延時的原因造成不能按照理想時刻到達通信接收機，這種現(xiàn)象會對基于相位編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的誤碼率帶來一定程度的影響。我們測量了光脈沖在不同傳輸距離和不同外界環(huán)境影響下基于差分相位編碼和雙不等臂M-Z相位編碼系統(tǒng)的時間抖動，建立了相位編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中誤碼