长距离量子密钥分发系统

长距离量子密钥分发系统
【摘要】：量子保密通信提供了一种绝对安全的通信方案，它的安全
性由不可改变的自然规律保证，是任何技术都无法攻破的。本文以实
用的长距离量子密钥分发系统为研究目的，围绕着困扰长距离量子密
钥分发的三个主要技术障碍，分别就纠缠光子产生，单光子探测，稳
定和安全的量子密钥分发方案展开研究。我们通过BBO晶体内非共
线光参量放大，同时实现了光参量下转换和上转换。这种光子级联四
波混频过程产生了紫外和可见的纠缠彩虹对。彩虹对由波长连续变化
的紫外和可见光子组成，这些光子一一对应相互纠缠，并且按照角度
变化组成彩虹环。纠缠彩虹对能够同时提供多波长的纠缠光子对，其
中紫外纠缠光子能够用于产生进一步纠缠。进而，本文提出了基于多
波长纠缠光子对的高效的量子通信网络方案。在单光子探测研究中，
本文提出了电容平衡门脉冲单光子探测技术，利用可调电容产生一个
相同的尖峰噪声，然后通过差模网络抵消。该技术克服了尖峰噪声的
影响，使基于InGaAs／InP-APD的近红外单光子探测器能够工作在
最佳状态，获得了极高的信噪比，其在1550nm的暗计数与探测效率
比为1.7×10~(-6)／脉冲，是目前国际上最好的指标之一。基于电容平
衡门脉冲单光子探测技术，我们随即成功开发了新型的近红外单光子
探测器，它具有操作简便，结构紧凑，性能优异，工作稳定等特点。
我们提出和实现了基于Sagnac干涉仪的量子密钥分发方案，被美国
LosAlamos国家实验室的量子保密通信路线图列为代表性方案之一。
随后我们在50km光纤中完成了长期稳定的PlugPlay量子密钥分发系
统，平均光子数0.1，误码率低于4％。在该PlugPlay系统基础上，
我们利用自行研制的高信噪比的近红外单光子探测器，实现了155km
单光子路由实验，干涉对比度达到87％。由于光纤本身不均匀，以
及外界压力和温度变化，使得光纤双折射无规则随机变化，从而使偏
振态在长距离光纤中无法稳定传输。本文发展了一种单光子水平的偏
振反馈补偿技术，解决了偏振光在光纤中传输时因光纤双折射变化引
起的随机抖动，在长距离光纤中实现了长时间稳定的单光子水平的偏
振态传输，并首次在100km长距离光纤中实现了基于偏振编码的量
子密钥分发模拟实验。我们在实验上模拟了截取-重发攻击，并且提
出了基于强参考光的量子密钥分发方案，通过监测强参考光，可以有
效地阻止光子分束攻击，从而使基于相干光源的量子密钥分发系统的
安全距离延长至146km。【关键词】：量子保密通信量子密钥分发单光
子探测纠缠光子Sagnac干涉仪单光子路由截取-重发攻击光子分束攻
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【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TN918
【目录】：摘要6-8Abstract8-10目录10-13第一章引言13-151.1经典
密码学131.2量子保密通信13-141.4论文内容安排14-15第二章量子
保密通信简介15-262.1量子保密通信的量子力学基础15-172.1.1量子
态叠加和量子比特152.1.2测不准原理与量子不可克隆定理15-172.2
量子密钥分发协议17-202.2.1BB84协议17-192.2.2EPR协议19-202.3
量子密钥分发发展现状20-242.3.1空间-相干光量子密钥分发212.3.2
空间-单光子量子密钥分发21-222.3.3空间-纠缠光子对量子密钥分发
222.3.4光纤-单向-相干光量子密钥分发22-232.3.5光纤-单向-纠缠光
子量子密钥分发232.3.6光纤-双向-相干光量子密钥分发232.3.7高速
量子密钥分发23-242.4量子密钥分发的实际技术瓶颈24-26第三章多
波长time-bin纠缠光子26-403.1EPR佯谬和Bell不等式26-303.1.1EPR
佯谬26-283.1.2Bell不等式28-303.2纠缠光子源简介30-333.2.1偏振
纠缠光子30-323.2.2Energy-time和time-bin纠缠光子32-333.3多波长
time-bin纠缠光子源33-393.3.1纠缠彩虹对实验装置33-343.3.2纠缠
彩虹对的产生机制34-363.3.3彩虹对的光子关联性363.3.4纠缠彩虹
对的关联特性36-383.3.5纠缠光子的波长调谐38-393.4小结39-40第
四章单光子探测40-654.1单光子探测概述40-444.2近红外单光子探
测器研究44-494.2.1盖革模式及其抑制电路44-464.2.2雪崩光电二极
管的特性及单光子探测性能参数46-484.2.3门脉冲单光子探测
48-494.3双APD平衡门脉冲单光子探测49-544.3.1双APD平衡门脉
冲单光子探测电路设计49-504.3.2双APD平衡门脉冲单光子探测尖
峰噪声抵消50-524.3.3双APD平衡门脉冲单光子探测性能测试
52-544.4电容平衡门脉冲单光子探测54-594.4.1电容平衡门脉冲单光
子探测电路设计54-554.4.2电容平衡门脉冲单光子探测尖峰噪声抵消
55-564.4.3电容平衡门脉冲单光子探测性能测试56-594.5新型的近红
外单光子探测器59-634.6基于近红外单光子探测器的的超灵敏光谱
分析仪63-644.7小结64-65第五章长距离量子密钥分发系统65-865.1
长距离量子密钥分发简介65-675.1.167kmPlug&Play量子密钥分发
65-665.1.2122km基于时分Mach-Zender干涉仪的量子密钥分发
66-675.1.3125km基于迈克尔逊-法拉第干涉仪的量子密钥分发
675.2Plug&Play量子密钥分发系统67-725.2.1光路设计68-695.2.2控
制信号及编码解码69-705.2.3数据采集70-715.2.4单光子探测715.2.5
量子密钥分发71-725.3155km单光子路由72-745.3.1瑞利反向散射的
影响72-735.3.2155km基于Plug&Play量子密钥分发系统的单光子路
由实验73-745.4偏振编码的量子密钥分发实验74-855.4.1单光子水平
偏振反馈补偿74-815.4.2偏振编码的量子密钥分发实验81-855.5小结
85-86第六章长距离量子密钥分发的安全性86-1026.1长距离量子密
钥分发存在的安全问题及解决办法86-886.1.1基于理想单光子的量子
密钥分发的极限安全距离866.1.2光子分束攻击86-876.1.3诱骗态量
子密钥分发方案87-886.2截取-重发攻击仿真实验88-926.2.1偏振B92
协议的漏洞896.2.2截取-重发模拟实验装置89-916.2.3截取-重发攻击
模拟实验91-926.3基于强参考光脉冲的长距离量子密钥分发
92-1006.3.1截取-重发攻击下基于强参考光脉冲的量子密钥分发的安
全性93-946.3.2在光子分束攻击下基于强参考光脉冲的量子密钥分发
的安全性94-1006.4小结100-102第七章基于多波长纠缠光子的量子
通信网络102-1067.1基于多波长纠缠光子的量子通信网络
102-1057.1.1纠缠彩虹对1027.1.2基于多波长纠缠光子的量子通信网
络拓扑结构102-1037.1.3基于多波长纠缠光子的量子通信网络协议
103-1047.1.4波分复用+时分复用解码方案104-1057.2小结105-106
第八章总结和展望106-1088.1本文的研究意义1068.2本文研究内容
和创新点106-1078.3研究展望107-108参考文献108-120博士期间的
科研成果和获得的奖励120-124致谢124
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