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量子保密通信中若干关键器件的研制

蔡文奇  
【摘要】: 量子力学是上世纪最伟大的物理发现之一,它揭示了微观下许多违反人类直观的现象,开拓了人类的视野,扩展了人类的认知,并从此开创了一个全新的研究领域。量子信息科学,正是利用了微观粒子所具的量子力学特性,并将它与传统信息科学相结合而产生了一门全新的学科。在量子信息学中,量子保密通信可以实现通信的绝对安全,具有经典保密通信所无法比拟的优势,有极高的实用价值,基于光纤网络的量子保密通信也是目前量子信息领域唯一实现了实用化的一个方向。这些特点,使量子保密通信的研究成为当今通信领域的热点,国内外各大研究机构纷纷投入了大量的人力资源与研究经费,也使量子保密通信技术发展的十分迅速。 在量子保密通信中,其设备硬件由电子学器件和光学器件所组成,本文主要的研究内容为基于光纤通信的量子保密通信设备中激光源、同步系统和单光子探测器等三个关键电子学器件的研制,同时也介绍了我们所做的两个光纤量子保密通信的实验。 首先在本文的第一章简要的介绍了量子力学和量子信息的基础知识,介绍了量子保密通信的历史和发展现状,以及量子保密通信中这三类电子学器件的关键作用,指出了它们对整个量子通信系统性能的决定性影响。 在第二章中,较为详细介绍了光纤量子保密通信的基础理论概念和主要实现技术,对保证通信的绝对安全量子力学原理、各类编码方案、实现光子加载量子态的模式,以及可能存在的安全漏洞和防范等都有详尽的阐述。 第三章是我们研制单光子源的工作,介绍了自主研制的三类激光器,一为工作在量子电话机系统中的窄脉冲激光器,作为量子电话机系统的信号单光子源同步光源;二为远程量子密钥分发系统中的高速脉冲信号激光器,可满足远程量密钥高工作频率的要求;三是为高速单光子探测器的测试系统平台特制的超窄脉冲激光器,以适应高速单光子探测器的超窄门宽。 为了保障光纤量子保密通信系统达到高的成码率与低的误码率,通信双方必须有一个极小时间晃动的同步系统,本文第四章就是我们研制该同步系统的工作。我们通过波分复用的方法将同步光与信号光沿同一光路传输,使同步光与信号光的相对晃动达到了最小,使用高时间分辨的光电转换器与甄别器,最终得到了满足系统时间晃动的同步系统。 在光纤量子保密通信中,红外单光子探测器的工作频率已成为制约成码率与通信距离提高的瓶颈,为解决这一难题,我们开展了研制高速红外半导体单光子探测器的工作。在高速单光子探测器的研制中,微弱雪崩信号提取是关键之处,也是一个难点,在本文中,我们使用带阻滤波器和自差分相消电路的方法,提取了微弱的雪崩信号,并搭建了一整套高速单光子探测器的测试平台,对探测器的各个性能作了一个较完整的测量。 在本文的最后,介绍了我们所做的两个光纤量子保密通信的实验,从整体实验的角度进一步验证工作其间的电子学器件的性能。第一个实验是世界上首部基于光纤量子保密通信的量子电话机实验,在该实验中,我们研制的窄脉冲单光子源与同步系统发挥了关键作用,量子密钥的成码率满足了实时通话的要求;另一个是实现了目前光纤量子保密通信最远距离的远程量子密钥分发实验,在该实验中,以高速激光器作为单光子源,在200km的距离成功的生成了密钥。 本文的主要创新点有: (1)使用窄脉冲成形电路的方法调制半导体激光器,使激光脉冲宽度达到1ns以内,用精确的温度控制使激光器输出波长、线宽、功率等保持稳定。采用高性能FPGA和串并转换技术,实现了最高1GHz的电子学输出频率和500MHz激光脉冲频率。采用高速雪崩管实现了宽度小于l00ps的激光脉冲输出。 (2)使用激光发射与光电转换技术提取信号,利用光速一致性研制了与信号光传输时间同步的同步信号传输系统,采用了波分复用技术,使同步光和信号光走同一光纤路径,保证了时间的一致性。 (3)使用了微弱雪崩的工作方式控制红外单光子探测器的暗计数水平和后脉冲概率,使之可以工作在高速条件下。通过自行设计的滤波器和自差分相消电路抑制雪崩二极管的微分响应信号,成功提取出微弱的雪崩信号。搭建了一个高速单光子探测器的测试平台,可以全面的测试探测器的各项性能。


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