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长距离量子密钥分发系统

吴光  
【摘要】: 量子保密通信提供了一种绝对安全的通信方案,它的安全性由不可改变的自然规律保证,是任何技术都无法攻破的。本文以实用的长距离量子密钥分发系统为研究目的,围绕着困扰长距离量子密钥分发的三个主要技术障碍,分别就纠缠光子产生,单光子探测,稳定和安全的量子密钥分发方案展开研究。 我们通过BBO晶体内非共线光参量放大,同时实现了光参量下转换和上转换。这种光子级联四波混频过程产生了紫外和可见的纠缠彩虹对。彩虹对由波长连续变化的紫外和可见光子组成,这些光子一一对应相互纠缠,并且按照角度变化组成彩虹环。纠缠彩虹对能够同时提供多波长的纠缠光子对,其中紫外纠缠光子能够用于产生进一步纠缠。进而,本文提出了基于多波长纠缠光子对的高效的量子通信网络方案。 在单光子探测研究中,本文提出了电容平衡门脉冲单光子探测技术,利用可调电容产生一个相同的尖峰噪声,然后通过差模网络抵消。该技术克服了尖峰噪声的影响,使基于InGaAs/InP-APD的近红外单光子探测器能够工作在最佳状态,获得了极高的信噪比,其在1550 nm的暗计数与探测效率比为1.7×10~(-6)/脉冲,是目前国际上最好的指标之一。基于电容平衡门脉冲单光子探测技术,我们随即成功开发了新型的近红外单光子探测器,它具有操作简便,结构紧凑,性能优异,工作稳定等特点。 我们提出和实现了基于Sagnac干涉仪的量子密钥分发方案,被美国Los Alamos国家实验室的量子保密通信路线图列为代表性方案之一。随后我们在50km光纤中完成了长期稳定的Plug Play量子密钥分发系统,平均光子数0.1,误码率低于4%。在该Plug Play系统基础上,我们利用自行研制的高信噪比的近红外单光子探测器,实现了155 km单光子路由实验,干涉对比度达到87%。 由于光纤本身不均匀,以及外界压力和温度变化,使得光纤双折射无规则随机变化,从而使偏振态在长距离光纤中无法稳定传输。本文发展了一种单光子水平的偏振反馈补偿技术,解决了偏振光在光纤中传输时因光纤双折射变化引起的随机抖动,在长距离光纤中实现了长时间稳定的单光子水平的偏振态传输,并首次在100 km长距离光纤中实现了基于偏振编码的量子密钥分发模拟实验。 我们在实验上模拟了截取-重发攻击,并且提出了基于强参考光的量子密钥分发方案,通过监测强参考光,可以有效地阻止光子分束攻击,从而使基于相干光源的量子密钥分发系统的安全距离延长至146 km。


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