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相位调制偏振编码的量子密钥分配系统的研究

唐志列  
【摘要】:量子密码术是基于量子力学测不准原理和单量子态不可克隆定理发展起来的一种新型保密通信技术,在理论和实验上已被证明是绝对安全、不可破译的。由于其绝对安全性,量子密码术在军事、外交、通信、电子商务等领域有广泛的应用前景。 论文首先对量子密码术的基本原理、各种量子密钥分配(QKD)协议以及各种量子编码技术作了比较全面的介绍,进而对各种QKD系统的结构、特性及其优缺点作了系统的分析和论述,指出了即插即用QKD系统存在着特洛依木马光子攻击的危险,存在不安全因素。而相位编码和偏振编码QKD系统受环境干扰因素多,存在着不稳定、损耗大等缺点。论文进而提出了一种新型的相位调制偏振编码的QKD系统,对这种QKD系统的工作原理、实验方法、实验结果作了详细的论述。并提出了利用相位调制偏振态的方法实现六态编码的新方案。 因为QKD系统是对单量子态的操作,因此QKD系统本质上是量子力学系统。量子信息的编码、解码过程须用量子力学方法来描述,为此,论文首先发展了一套全量子力学的描述方法,对QKD系统所有的光学器件及其所构成的量子编码器和解码器,全部用量子力学算符来表示。对用来编码的所有量子态,全部用量子力学的态矢量来表示。这种描述方法的优点是能对QKD系统的量子信息编码、解码过程给出严格的理论描述。在此基础上,论文首次提出了利用相位调制实现偏振编码的新方法。即用两个正交的偏振态通过偏振干涉合成一个新的偏振态,这个合成的偏振态由两个正交偏振态的相位差决定,改变相位差,就可以合成各种不同的偏振态,而相位差的改变可以通过相位调制器来实现,从而可以通过相位调制方法实现对光子偏振态的编码和解码。根据这种原理,我们首先研制成功量子编码器件—相位-偏振控制器,然后利用相位-偏振控制器研制成四态量子编码器、解码器以及偏振补偿器。四态量子编码器可以随机地制备45°线偏振、135°线偏振、右旋圆偏振、左旋圆偏振等四种非正交偏振态的光子,四态量子解码器可以随机地制备45°线偏振、135°线偏振、右旋圆偏振、左旋圆偏振等四种非正交偏振态的检偏器。偏振补偿器可以对任意偏振态进行精确补偿,使其恢复原来的偏振状态。这种偏振编码方法的优点是调制电压低(10V左右)、调制速率高(可以达到GHz),并且可以进行偏振补偿,从而有效地降低误码率。


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