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量子密钥分发系统中数字控制模块的设计

万旭  
【摘要】: 量子信息是量子物理与信息科学相结合而发展起来的新学科。由于引进了量子力学,它具有经典信息所无法比拟的优势和前景,已经引起了人们的广泛兴趣。量子信息主要包括量子计算和量子通信两个领域。量子计算的研究对象是量子计算机和适用于量子计算机的量子算法。量子通信主要研究量子密码,量子隐态传输,以及解决远距离量子通信的技术。量子密码又称量子密钥分发,它利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的,安全的密钥,来加密和解密信息。在本论文中,我们关注的是量子通信领域中的量子密钥分发。 自1984年Bennett和Brassard提出首个量子密钥分发协议以来,各种基于不同协议、采用不同信道的量子密钥分发实验已经完成。数十年间,各国政府、研究机构、公司投入了大量资源到量子保密通信的研究中,使其逐渐从实验室初步走向了实用化。中国科学技术大学量子物理与量子信息实验室研制的量子密钥分发系统正是走向实用化的一次尝试。 在本论文的工作中,完成了量子密钥分发系统中的数字控制模块的电路设计,包括基于FPGA的控制板和同步采集延时板。控制板使用功能强大灵活的FPGA作为核心,实现各种复杂逻辑的同时能够很好的控制成本。控制板和上位机PC之间采用USB通信方式,并通过自定义的背板总线同其他电子学模块通信,完成对电子学部分的控制。同步采集延时板完成对同步光的接收甄别,和对甄别后的同步信号进行可调节的延时,提供给单光子探测器作为门控信号。板上的甄别电路可将30mV的同步信号提取出来,并对其作步长100ps的延时调节,延时范围200ns,延时后的信号相对同步光的晃动在300ps。 配合数字控制模块的电路设计,还完成了控制板FPGA的逻辑设计。FPGA的逻辑设计包括发送方逻辑、接收方逻辑和USB接口逻辑三部分,整合在同一个工程中,可使用模式选择命令选择相应部分工作。在发送方,逻辑主要实现上位机PC命令的接收解析、随机数的获取、同步信号的产生、激光器和模拟电压板的控制以及数据编码的上传;在接收方,逻辑主要完成上位机PC命令接收、探测器数据获取以及数据编码上传。 本论文中设计研制的数字控制模块实现了整个系统的设计需求,运行正常,已经达到了成品化、产业化的要求。日前,基于已有的商用光纤和研制的量子密钥分发系统,研究小组在合肥构建了世界上首个全通型的量子通信网络,实现了全功能运行,并将逐步往产业化的方向发展。


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