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《中国科学技术大学》 2011年
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量子密钥分发系统中若干电子学模块的设计

高原  
【摘要】:信息作为一种资源,它的普遍性、共享性、增值性、可处理性和多效用性,使其对于人类具有特别重要的意义。信息安全是任何国家、政府、部门、行业都必须十分重视的问题,是一个不容忽视的国家安全战略。而基于量子力学和当代信息学的量子密钥分发理论则是保障信息安全的最有力手段。 量子密钥分发理论基于量子力学基本定理中的Heisenberg不确定原理和量子不可克隆定理。量子力学的基本定理在物理层面上保障了量子密码的无条件安全性,这种安全性能够经得起包括量子计算机在内的任何攻击。鉴于量子密钥分发理论的重要性和远大前景,各国都十分重视对于量子密钥分发系统的研究和实现。从Bennett和Brassard于1984年提出首个量子密钥分发协议——BB84协议起,量子密钥分发理论经过无数国家、实验室以及通信巨头的数十年的修改和完善逐渐已经走向实用化。我们国家同样十分重视量子密钥分发理论的研究,目前中国科学技术大学量子物理与量子信息实验室已经率先实现量子密钥分发的实用化,正在建设城域量子通信网络。 本论文介绍了中国科学技术大学量子物理与量子信息实验室研制的基于诱骗态编码的量子密钥分发的系统中,同步延迟插件和直流高压插件以及在长距离量子密钥分发实验中高速单光子源的设计与实现。 量子密钥分发系统总体上分为发送方(Alice),接收方(Bob)。发送方把量子态信息通过光纤传送给接收方,接收方用单光子探测器来接收。为了使单光子探测的暗计数维持在一个低的水平,探测器采用门控的模式运行,即仅在光子到来的时候打开一个时间―门‖进行计数。这个门宽可以由探测器设定的,在实验中要求越小越好。光子到来的时刻是和同步信号相关联的,但经过一段距离的光纤传播后,它们之间的相位关系可能发生改变。因此,在接收方需要一个可以及时调节延时电路来调整这个相位关系,使得探测器能够准确得到光子计数。设计的最终方案采用粗延迟加细延迟的组合方式,由一个单片机来控制粗细延迟的延迟量,通过扫描的方式来确定合适延迟值。 量子密钥分发系统采用的是偏振编码,控制偏振编码主要依靠偏振调制器。偏振调制器工作是需要在其两端加几十伏特的高直流电压。由于环境的干扰,这个电压不会是一个固定的值。因此控制偏振调制器必须依靠一个可控的直流高压模块,这个可控直流高压模块是依靠一个单独的插件完成的。设计方案是采用一个单片机来控制DAC,DAC输出的电压经过直流放大后送给偏振控制器。 随着量子密钥分配技术的高速发展,量子密钥分配系统往高速,远距离以及网络化方向发展。为此我们开展了一个高速,远距离量子密钥分发的实验。我们为此设计了一个具有520M重复频率的单光子源,设计方案采用基于SerDes技术的窄脉冲成型技术,光脉冲脉宽在300ps左右。 本论文中设计的同步延迟插件和直流高压插件均已在合肥量子城域网密码初样机中工作正常。已经达到了成品化、产业化的要求。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN918.2

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