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连续变量量子密钥分发的若干问题研究

霍新星  
【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。 以单光子为信息载体的量子密码分发系统,目前尚无安全可靠的单光子源,探测效率比较低。与之相反,基于连续变量的量子密码通信不仅具有稳定可靠的光源,探测效率高,而且其系统与常规经典通信系统相容,目前基于连续变量量子密钥分发已成为量子信息科学中研究热点之一。 本文研究的内容主要为两方面内容,一部分为针对两种可以突破3dB限制的协调方案的性能分析;另一部分着重分析平衡零拍探测,分析了真空噪声以及探测系统分光系统可能带来的问题以及解决此问题的方法及其可行性。 首先,介绍了相干态广场的基本概念,然后从相干态出发,介绍了相干态量子密钥分发的基本原理以及系统结构。简单介绍了协调协议之后,重点对逆向协调协议和后选择协议进行了分析。我们给出了相干态量子密钥分发系统使用的零拍探测的系统和原理。 其次,主要研究了逆向协调和后选择协调两种协调方案,根据不同协调方案对密钥分发系统的安全条件进行了总结。针对不同的信道特征,分析两种协调方案的优缺点。首先是考虑信道的衰减影响和信道噪声的影响,当信道传输率较大时,后选择协调的性能明显优于逆向协调,且后选择对噪声的容忍度较大。然后我们推导出了零拍探测器的电子噪声及探测效率对后选择协调的影响,并分析了探测噪声下两种协调协议的性能,探测器噪声对后选择下的密钥量影响加强较大;最后对这两种可以突破3dB限制的协调协议的安全性进行了研究分析。 最后,着重分析平衡零拍探测,分析了探测系统分光系统可能带来的问题以及解决此问题的方法及其可行性。分光不均会使探测系统的噪声增大,为了克服这一问题,一方面可以尽量选择合理的参考光强,另一方面可以衰减较强光路。衰减较强光路可以使用衰减器或弯曲光纤,我们证明了实验中两种方法的可行性,其中通过弯曲光纤来衰减光强的方法更简单易行。最后我们给出了探测系统中电子噪声的影响以及减小电子噪声的一些方法。


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