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量子密钥分配中的单光子探测研究

冯少晖  
【摘要】:量子信息是以量子力学为基础发展起来的新理论,它的发展和应用将给人类社会和生活带来深刻的影响。其中量子密钥分配最接近于实用化,而单光子探测技术是制约其实用化的关键技术,对于量子密钥分配乃至量子信息技术都有重要的意义。 本文主要研究了密钥分配中单光子探测的理论和实验实现的几个重要问题,包括密钥分配的方案及实验实现、光电探测原理及器件选择、探测器件的性能指标分析和标定、单光子探测器的系统电路设计以及探测数据的密钥协调和保密放大等问题。主要工作包括以下几点: 1.介绍密码术的历史和量子密钥分配的理论方案;我们用简单实用的装置实现了自由空间中量子密钥分配的BB84方案和B92方案,达到了较高的码率和较低的误码率。 2.通过研究分析探测器件的噪声来源和主要性能指标的测定方法,提出了简化的单光子探测器量子效率绝对自身标定方案,该方案在电路上比原有的方案简单,并可以通过编程实现多次测量和数据分析的自动处理。 3.通过研究雪崩光电二极管单光子探测器的无源抑制电路和外围电路,包括短时微分脉冲抵消电路、平衡电路、符合测量等,并结合半导体降温措施,设计了比较完整的单光子探测系统,该系统在较低重复频率(MHz)下有较好的探测性能。 4.用高速数据采集卡,编程实现了发送方(Alice)的随机数产生发送和接收方(Bob)的单光子探测数据接收分析,通过经典通信生成密钥,采用Cascade协议和BICONF协议进行密钥协调,将误码率降到几乎为零。


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