量子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中若干關(guān)鍵問題的研究.pdf

1、量子通信是量子論與信息論相結(jié)合的產(chǎn)物，也是通信與信息領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)前沿。按量子通信的載體來分，可分為基于分立變量的量子通信和基于連續(xù)變量的量子通信兩大類。在分立變量量子通信中，基于光纖的單光子量子密鑰分配已率先走向?qū)嵱没＿B續(xù)變量量子通信正成為目前的研究熱點(diǎn)，且取得了許多重要成果。 本論文的第二章對量子通信中所涉及到的量子力學(xué)的基本概念和原理做出簡單的概述，其中包括量子比特、態(tài)迭加原理，測不準(zhǔn)原理、量子態(tài)不可克隆定理、量子力學(xué)中

2、的糾纏等。 第三章對基于光纖的單光子量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的有關(guān)問題進(jìn)行了研究。首先闡述了量子密鑰分配中的BB84、B92及Ekert91等三個(gè)基本協(xié)議的偏振編碼與相位編碼的工作過程。其次介紹基于光纖的“PlugandPlay”單光子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。然后對其中的關(guān)鍵器件的工作特性和系統(tǒng)工作時(shí)序進(jìn)行了論述，提出了系統(tǒng)工作電路的有關(guān)參數(shù)。安全性和碼率是量子密鑰分配系統(tǒng)中始終必須關(guān)注的兩個(gè)重要問題。對于目前存在的幾種EVe攻擊策略進(jìn)行了

3、討論。最后指出量子密鑰分配系統(tǒng)的安全性不僅依賴于量子力學(xué)的基本原理，還依賴于具體的技術(shù)手段。 第四章論述了量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的單光子探測器的有關(guān)問題。由于目前的單光子探測器必須采用“Geiger”工作模式，為了降低誤計(jì)數(shù)，就必須設(shè)置長達(dá)幾微秒的不工作的“死時(shí)間”，因而從根本上限制了系統(tǒng)密鑰分配的碼率。本文提出了一種采用多端口分束器與多雪崩二極管(APD)結(jié)合構(gòu)成快速單光子探測器的新方法。這種探測器的每一端口均配置有APD，各

4、端口時(shí)分工作，通過時(shí)鐘信號與邏輯判決電路，將依次輸入各端口的單光子脈沖信號依次轉(zhuǎn)換為電信號輸出并計(jì)數(shù)。應(yīng)用這種單光子探測器可以提高單光子探測器的探測速率，進(jìn)而提高量子密鑰分配的碼率。在未來可將分束器、光開關(guān)、控制電路甚至APD進(jìn)行光電子集成構(gòu)成快速單光子探測器模塊。 由于上述的快速單光子探測器可以對脈沖包含的光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，因而我們提出了對Eve攻擊的物理檢測的新方法。如果Eve采用“PNS”攻擊，將引起平均光子數(shù)的改變；如果采用

5、“截收-重發(fā)”攻擊，則會(huì)擾動(dòng)光子數(shù)的泊松分布。 第五章則重點(diǎn)論述了用于連續(xù)變量量子通信的光孤子脈沖源的研制的有關(guān)問題。以Cr4+:YAG晶體作為工作物質(zhì)的飛秒脈沖激光器能產(chǎn)生光纖通信波段的具有強(qiáng)相干性能的激光以滿足連續(xù)變量量子通信的需要。 Cr4+:YAG是一種Kerr介質(zhì)，其對光脈沖時(shí)域內(nèi)的自相位調(diào)制(SPM)和腔內(nèi)負(fù)群速度色散(N-GVD)效應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生孤子鎖模，輸出幾十飛秒的光孤子脈沖。半導(dǎo)體可飽和吸收鏡

6、(SESAM)起到了啟動(dòng)這種過程并且穩(wěn)定光孤子脈沖的作用，但其弛豫時(shí)間的長短對光孤子脈沖的寬度并無多大影響。對1520nm波段的SESAM的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。也論述了激光晶體正色散的產(chǎn)生機(jī)制。在采用Sellmeier公式對熔融石英材料的各階色散值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，得出了棱鏡對色散補(bǔ)償?shù)墓健?依據(jù)理論分析和數(shù)值計(jì)算對Cr4+:YAG飛秒脈沖激光器光路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。提出了在腔內(nèi)插入一薄聚焦透鏡代替另一折疊鏡以降低