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量子通信中的若干实验研究

尚旭东  
【摘要】: 量子信息学是信息科学和量子力学相结合而形成的新兴交叉学科。量子通信是量子信息学的一个重要分支,在提高运算速度,确保信息安全,增大信息容量和提高检测精度等方面可以突破经典信息系统的极限。 本文研究的内容主要分为两个部分,一部分为量子压缩态光场的产生与探测实验,另一部分为连续变量量子密钥分发实验。 首先,介绍压缩态光场的基本理论和进展。基于光场的量子理论,推导了量子理论下光场的表示方法。从量子态光场中最基本的状态——相干态出发,研究了其量子噪声起伏的特性,进而根据Heisenberg测不准关系,研究了压缩态光场的特性,即光场的两个正交分量中一个分量的测不准量低于测不准关系的极限值,另一个与之不对易的分量则高于极限值,但二者测不准量的乘积大于或等于测不准关系的极限值。即压缩光场的一个分量的涨落被压缩到真空涨落之下,而另一个与之共轭的分量的涨落高于真空涨落。最后,对压缩态光场相关的理论、实验研究进展进行了总结。 基于对压缩态光场的理论研究,设计了一种产生和探测光孤子振幅压缩态的实验方案。首先研究了光信号的探测理论,根据压缩态光场的特性,设计了一种可以用于压缩态光场探测实验系统中的光电探测器。经测量,光电探测器电路的3dB带宽可达到10MHz,噪声等效功率约为6pW/Hz~(1/2),饱和功率约为19mW,在带宽、暗电流噪声、动态范围等方面都可以满足量子压缩态光场探测的要求。 研究了一种产生与探测压缩态光场的实验方案,利用具有高度不对称分束比的光纤耦合器和不同长度、不同结构的光纤构成Sagnac环,通过平衡零差探测系统探测,得到光场的噪声低于散粒噪声极限,获得了最大程度近5dB的压缩态光场。由于整个压缩态产生的实验装置均为全光纤结构,与在空气中实现压缩态的系统相比,更便于集成化和实用化。 最后,介绍了量子密钥分发的基本原理,重点分析了用于量子密钥分发的BB84协议。基于BB84协议,研究了一种连续变量量子密钥分发实验系统。重点研究了用于实验系统中测量部分的平衡零差探测系统。根据连续变量量子密钥分发实验中,信号强度弱,触发时间短的特点,对探测系统中所用的光电探测器电路进行了改进,得到了可用于连续变量量子密钥分发实验的光电探测器。


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