实用化量子通信系统及其关键技术的研究

【摘要】： 量子通信是量子力学和经典通信的交叉学科,有着传统通信方式所不具备的绝对安全特性。在国防军事、金融贸易、政治外交等领域有着重大的应用价值和发展前景。 本文所介绍的研究工作以实用化量子通信系统为目标,提出了一些具有创新性和实用性的量子密钥分发方案,并在解决某些关键技术问题的基础上,完成了具有实用化雏形的量子通信样机。论文主要内容如下： 由于光纤中的偏振随机抖动,偏振编码的量子密钥分发方案一直不被看好。本文借鉴经典光通信中偏振控制的思想,提出了利用光子计数分析单光子偏振态,然后通过压电陶瓷挤压光纤调节偏振的方法。最终实现了单光子水平下的偏振控制,并完成了长时间稳定的量子密钥分发实验。 在此基础之上,进一步提出一种实时偏振控制方法,利用时分复用技术将参考光和信号光在时域上分开,并通过单光子探测器不同的门延迟对两者分别探测,通过对参考光的控制,可以实现对单光子信号的实时偏振监控,最后成功的完成了长时间稳定的实时量子密钥分发实验。通过这种方法可以保持量子密钥分发无中断的进行,有效的提高了成码效率,进一步提升了偏振编码方案的应用价值。 提出了一种实验上可行的经典编码和量子通信相结合的量子直传方案,通过将明文进行经典编码并随机添加冗余进行混合,可以实现明文在量子信道中安全的传递。最后在相位编码系统中完成了量子直传的实验演示。 为推进量子通信的实用化进程,我们研制了适用于量子通信系统并且性能优良的窄脉冲准单光子源和单光子探测器。在此基础上设计和开发了工作稳定的"Plug-Play"量子密钥分发样机和量子保密电话系统。其中量子保密电话借助FPGA平台完成了高效率高集成度的量子通信,实现了绝对安全的语音信息交换,这套系统为量子保密术和各种通信方式的结合提供了一种有效的模型架构,具有了实用化的雏形。