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自由空间高速实时量子密钥分发系统关键技术研究

谢虹波  
【摘要】:在经典密码学中,一次一密方法可以实现信息理论上的安全通信。一次一密方法中密钥只使用一次。为了保证相距较远的通信双方持续的进行通信,就需要实时获取密钥,这也就引入了安全密钥分发的问题。量子密钥分发是量子力学与经典密码学交叉的一个领域。借助于量子力学中量子不可克隆定理和量子叠加原理,量子密钥分发可为通信双方提供理论上无条件安全的密钥。近些年来量子密钥分发不断朝着远距离和高安全成码率前进,并正在朝着全球量子通信网络前进。“墨子”号卫星的一些实验结果已经验证了基于星地量子网络的可行性,为全球量子通信网络奠定基础。星地量子密钥分发是借助于量子卫星作为终端,给地面相距较远的通信双方发送安全密钥。为了满足多种运用的需求,这就需要高速实时量子密钥分发系统。在星地量子密钥分发系统中,限制安全成码率的主要因素是量子光源重复频率和系统衰减,在光学及系统链路不变的条件下,提高量子光源的重复频率可以有效提高系统安全成码率。本论文主要是实现面向星地高速实时量子密钥分发系统。围绕这一目标,研究了一些关键性的技术,并成功运用于实际系统中。本论文主要包括以下4个方面的内容。首先,对增益开关半导体激光器方法产生的光脉冲的强度晃动进行了研究,通过采用外部激光注入方法减小了光脉冲的强度晃动。理论分析与仿真结果表明,在大信道衰减下,光脉冲强度晃动对系统安全成码率有较大的影响,外部激光注入方法有效的提升了大信道衰减情况下系统安全成码率。考虑典型的QKD系统参数,在40dB衰减的情况下,当光脉冲的相对强度晃动从1.59%减小为1.15%时,系统的安全成码率提升了 51.89%。其次,针对高速量子密钥分发系统中多通道高速信号相位锁定问题进行了研究,采用时间数字转换TDC和相位内插PI方法闭环锁定多个高速串行收发器信号之间的相位,并且多路信号之间的延时在一定的范围内可调。TDC是基于Kintex Ultrascale 040 FPGA内部的进位链,时间分辨率为10.2 ps,测量精度为18 ps,通过多次测量进一步提高时间测量精度。最终控制多个高速串行收发器输出信号相位锁定在14.7ps的峰峰值和2.5 ps RMS。多通道高速信号相位锁定在量子光源时间一致性方面及一些大型核物理系统时间同步方面有着重要的运用。再次,针对高速量子密钥分发系统中收发两端高精度同步方式进行了研究。在实时量子密钥分发系统中,需要激光通信来支持经典数据的实时交互。区别于以前的同步光方案,本论文采用已有的激光通信信道进行同步信号的传递。通过采用低抖动CDR方式实现收发两端高精度的相位锁定,同步精度半高宽为30ps。另外通过分析光探测前端APD、跨阻放大器及限幅放大器的定时甄别原理,实现了对光功率变化不敏感的高精度时间同步。实测结果表明,当接收光功率从-41.4 dBm变化到-23.8 dBrm时,收发两端同步信号绝对位置偏移70ps。在实现高精度同步的同时,光通信系统的接收灵敏度依然可以达到-41.4 dBm。最后,本论文进行了高速实时量子密钥分发系统的研制,包括量子光源、激光通信、密钥后处理等各个模块。本论文主要对发射端量子光源模块及光通信模块进行设计。配合密钥后处理实现高速实时量子密钥分发。考虑实际星地链路系统衰减在-47.5dB~-38.5dB,我们采用桌面实验模拟此衰减并测试该高速实时量子密钥分发系统的性能。当系统衰减在-47.5dB到-38.5dB,信号态误码率为1.9%到0.8%。系统理论上安全成码率为397.5bit/s@-47.5dB和4.6kbit/s@-38.5dB。本论文的主要创新点在于:1.采用外部激光注入方法有效降低了增益开关半导体激光器产生光脉冲的强度抖动,有效提高了在大衰减情况下系统的安全成码率。考虑典型的QKD系统参数,在40dB衰减情况下,当光脉冲的相对强度抖动晃动从1.59%到1.15%时,系统的安全成码率提升了 51.89%。2.采用基于FPGA进位链TDC和高速串行收发器GTX的相位内插模块实现了多通道高速串行信号之间的相位锁定,相位锁定峰峰值为14.7ps,标准差RMS值是2.5ps,另外多通道信号之间的延时可根据需要进行改变。这极大的降低了量子密钥光源的研发难度。3.实现了一种内嵌于激光通信的收发两端高精度时间同步方案,在接收光功率不变时,收发两端同步精度半高宽为30ps,当接收光功率从-41.4dBm到-23.8dBm变化时,收发两端同步脉冲的绝对位置漂移70ps。4.实现了面向星地的高速实时量子密钥分发系统,当系统衰减在-47.5dB到-38.5dB,信号态误码率为1.9%到0.8%,系统理论上安全成码率为397.5bit/s@-47.5dB 和 4.6kbit/s@-38.5dB。


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