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《中国科学技术大学》 2017年
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量子随机数实验研究

聂友奇  
【摘要】:量子力学与信息科学的结合,诞生了一个崭新的学科—量子信息学,主要包括量子计算与量子通信,其中量子通信提供了一个理论上无条件安全的通信方式,经过几十年的快速发展,已经到了实用化的阶段。在量子通信系统的研发中,关键器件的研制起着至关重要的作用。事实上,当前量子通信领域激烈的国际竞争已经逐步演变成单光子探测与随机数产生等关键器件与关键技术研发的竞争。在量子通信系统中,需要用到大量的随机数序列,并且所用随机数的质量直接关乎到整个系统的安全性。在随机数产生技术中,通过测量量子物理系统中内秉的随机特性产生真随机数的量子随机数发生器(QRNG),输出的随机性是由量子力学基本原理所保证的,因此相比于其它随机数产生技术来说更具优势,自然地成为了量子通信系统中的关键器件与关键技术。本论文作者在博士期间的主要工作是QRNG的实验研究,主要集中在QRNG系统的实用化与现实条件下的安全性两个方面。在实用化方面,先后发展了基于光子到达时间测量、激光相位波动测量等方案的高速量子随机数产生技术,并研制了一个实时高速的QRNG模块,为未来超高速量子通信系统的量子随机数需求提供了可行的解决方案,推动了 QRNG的实用化进程。在现实条件下量子随机数的安全性方面,首次在实验上实现了测量器件无关(MDI)的QRNG(MDI-QRNG),有效地解决了现实条件下测量器件不完美对量子随机数产生引起的最小熵估计错误以及由此带来的安全隐患。本论文主要介绍了 QRNG相关的概念、原理、方案以及本论文作者在博士期间的QRNG实验研究工作。在光子到达时间测量的QRNG实验研究中,提出并实现了相对于外部固定参考的光子到达时间测量的QRNG方案,能够输出接近于理想均匀分布的原始随机数据,原始比特率达到了 109 Mbps。在激光相位波动测量的QRNG的实验研究中,实验实现了速率高达68 Gbps的QRNG,相比此前国际上最快的QRNG,速率提高了一个数量级。为了满足干涉仪稳定性的需求,主动反馈系统代替传统的温度控制系统实现了干涉仪的相位稳定控制。为了推动QRNG的实用化进程,在实验演示的基础上研制出实时速率为3.2 Gbps的QRNG模块,并首次在高速FPGA中实现了基于Toeplitz矩阵的实时高速的随机性提取算法。在现实条件下QRNG系统的安全性方面的实验研究中,首次实验实现了一种基于时间相位编码方案的MDI-QRNG,可以在不对测量器件进行标定甚至测量器件不可信的情况下输出经过认证的量子随机数,最终比特率为5.7 Kbps。这种全部使用光纤器件实现的系统为构建全集成式的实用化MDI-QRNG提供了一个有效途径。
【关键词】:量子通信 量子随机数 单光子探测 光子到达时间 激光相位波动 Toeplitz矩阵 随机性提取 时间相位编码 测量器件无关
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O413;TN918
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-14
  • 第一章 引言14-22
  • 第二章 量子随机数产生方案22-34
  • 2.1 量子随机数发生器的构成22-23
  • 2.2 量子随机数产生方案介绍23-32
  • 2.2.1 基于放射性衰变的量子随机数产生23-24
  • 2.2.2 光学量子系统中的随机性24-25
  • 2.2.3 基于单光子探测的量子随机数产生25-28
  • 2.2.4 基于连续变量测量的量子随机数产生28-30
  • 2.2.5 量子随机数产生方案汇总30-32
  • 2.3 随机性的量化、提取与检验32-34
  • 第三章 光子到达时间测量的量子随机数产生34-50
  • 3.1 实验原理35-38
  • 3.2 系统设计38-44
  • 3.2.1 系统总体设计38-39
  • 3.2.2 激光光源板的设计39-40
  • 3.2.3 数据采集系统的设计40-41
  • 3.2.4 基于快速傅立叶变换的Toeplitz矩阵算法的实现41-44
  • 3.3 理论分析44-46
  • 3.4 实验结果46-50
  • 3.4.1 最小熵与比特率46-48
  • 3.4.2 随机性测试48-50
  • 第四章 激光相位波动测量的量子随机数产生50-64
  • 4.1 实验原理51-52
  • 4.2 系统设计52-54
  • 4.3 理论分析54-58
  • 4.4 实验结果58-64
  • 4.4.1 最小熵估算58-61
  • 4.4.2 随机性测试61-64
  • 第五章 实时高速的量子随机数产生64-82
  • 5.1 系统设计65-76
  • 5.1.1 系统总体设计65-66
  • 5.1.2 光源与相位稳定系统的设计66-68
  • 5.1.3 干涉盒的结构设计68-70
  • 5.1.4 数据采集与处理电路70-71
  • 5.1.5 电源模块与结构件的设计71-73
  • 5.1.6 基于Toeplitz矩阵的后处理算法在FPGA硬件电路中的实现73-76
  • 5.2 理论分析76-78
  • 5.3 实验结果78-82
  • 5.3.1 实时后处理与数据输出速率测试78-79
  • 5.3.2 随机性测试79-82
  • 第六章 测量器件无关的量子随机数产生82-102
  • 6.1 实验原理83-91
  • 6.1.1 器件无关的量子随机数产生83-85
  • 6.1.2 部分器件无关的量子随机数产生85-87
  • 6.1.3 源器件无关的量子随机数产生87-88
  • 6.1.4 测量器件无关的量子随机数产生88-91
  • 6.2 系统设计91-96
  • 6.2.1 编码方案的选择91-92
  • 6.2.2 实验装置92-93
  • 6.2.3 量子态的测试93-94
  • 6.2.4 投影测量结果94-96
  • 6.3 理论分析96-99
  • 6.4 实验结果99-102
  • 6.4.1 最小熵估算99
  • 6.4.2 随机性测试99-102
  • 第七章 总结和展望102-104
  • 7.1 总结102-103
  • 7.2 展望103-104
  • 参考文献104-116
  • 致谢116-118
  • 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果118

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