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量子保密通信系统及其关键技术的研究

周春源  
【摘要】:量子信息学的研究发现,如果能通过量子态编码来传送密码信息的话,那么 依据量子力学不确定性原理,任何对量子载体的测量或复制行为都将改变原量子 态。这为我们提供了一种主动发现窃听者的方法,即量子保密通信。与任何传统 密码术都不同的是,它借助于自然法则的威力,从根本上杜绝了非法窃听的可能 性,将为人们提供一种“无条件”的安全通信方法。 本文工作致力于量子保密通信技术初步实用化的研究,目标是探索量子密钥 分发的新方案与新技术,并完成长距离长期稳定的光纤型量子密钥分发系统。 在量子密钥分发方案研究方面,我们主要着力于提高保密通信的稳定性和成 码率。因而我们首先提出了基于Sagnac干涉仪的量子保密通信方案。该方案巧 妙地使用了环形光路的结构,不借助任何主动或被动元件就可以自动补偿相位抖 动;采用分时相位调制技术控制单光子干涉,密码交换方法简单可靠。是目前为 数不多的利用双向自动补偿而实现稳定传输密钥的长距离保密通信方案之一。 本论文还提出了法拉第反射镜与相位差分方案结合(“PhlgPlay”+DSP) 的量子密钥分发方案。该方案通过相位调节伺服系统和往复光路补偿技术,能够 有效地克服单光子单向传输过程中的相位抖动和偏振模式色散(PMD)等问题, 具有高稳定性;并结合Yamamoto等人提出的相位差分编码方法,能够实现高达 2/3的密钥成码率。该方案还具有很强的可扩展性。在不改变总体结构的情况下, 仅仅通过增加部分光路元件的方法就可以使密钥成码效率提高到(n-1) /n (n=3,4,5,…),是一种有潜力的新方案。 围绕量子保密通信系统的研究,我们发展了一系列关键性的技术。 在单光子探测方面,我们提出了多种单光子探测的技术方案。解决了APD 光纤耦合、低温制冷控温(-50℃--110℃)等技术难题,研制出实用化的单光 子探测器,并成功应用于单光子干涉实验和量子保密通信系统中,为红外单光子 信息处理等领域提供了高灵敏的探测手段。其核心指标,暗计数率与量子效率的 {确要 比值(Pd/几)超过商售同类产品一个数量级。 为解决相位差分编码方案中时间信息检测的问题,找们提出了一种基于多重 探测门(multi一gate)的单光子11寸序检测器(Time diseriminator)。一般认为,山 于InGaAS雪崩光电二极管的后脉冲发生机率较大,不适于快速的时间探测。而 实验中我们恰恰不lJ用了发生在{i汀后相继的多个脉冲门中的后脉冲来帮助识别单 光子时间信息,为近红外单光子时序检测提供了一种有效方法。 在单光子十涉和单光子操控的研究中,我们提出并实现了华十光纤S雌11ac 干涉仪的长距离单光子干涉和单光子路山实验。在50公啾的光纤环路中获得的 单光子干涉可见度达到95%;基于s雌11ac二卜涉仪的长距离单光子路山器有望应 运于单光子量子信息研究。 我们还发展了偏振量子随机源技术,首次将USBZ.O数据接口应用于高速光 量子真随机信号发生器,实现了“即插即用”的功能。该系统使用简便,随机码 的采样速率可达SMHZ,随机数的序列相关性达到10一“量级,单字节嫡值不小于 7.99;将为量子保密通信的安全性提供有力保障。该随机信号发生器也适用于经 典密码学和模拟计算等其它领域。 最后, 采用了精确 我们研制完成了50.6公里通信光纤中的量子密钥分发系统。该系统 电子学同步触发和偏振无关的相位调制技术,并应用自行训 敏单光子探测仪,准单光子脉冲平均光子数小于0.1,误码率仅为4%, 制的!佰灵 充分保证 了量子通道的安全性;该系统还应用了自行旬{制的华于IJ 5 B2.0量子保密通信专 用数据采集系统,具有“即插即用”的特点。密钥分发的稳定工作时问不小于 12小时,所生成的随机密钥可直接用一于图象加密的演示实验。该系统一J一二2004年 9月26日通过了_上海市科委组织的专家鉴定〕此前,我们还完成了国内第一台 光纤量子保密通信样机系统,成功地进行了局域网的图象通信实验,井参力11了上 海国际工业一博览会的展出,初步显示了量子密码术的应用前景。


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