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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。
【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

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