空間量子密鑰分配中的偏振劣化及系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計.pdf

1、在這個信息呈爆炸式增長的年代，信息的安全問題日益突出，保密通信的需求日益增長。安全密鑰的獲取是保密通信的關(guān)鍵。量子密鑰分配由于可以提供大量安全密鑰的分發(fā)而受到人們的青睞。經(jīng)過二十余年的發(fā)展，在量子密鑰分配的兩大關(guān)鍵指標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)密鑰分配的距離和成鑰速率兩方面都有了巨大的進(jìn)步。
　　 但是，從目前的空間量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)傳輸距離大于10公里時，誤碼率都在5％以上，最終的成鑰率只有幾百bit/s。由于空間量子密鑰分配一般采用

2、偏振態(tài)編碼方式，如果信號光子的偏振態(tài)在產(chǎn)生或傳輸?shù)倪^程中偏離了密鑰分配協(xié)議所要求的理想偏振態(tài)，即偏振發(fā)生劣化，將導(dǎo)致密鑰誤碼率的增加。因此，有效解決空間量子密鑰分配中的偏振劣化問題，是降低系統(tǒng)誤碼率、提升密鑰分配效率的關(guān)鍵之一。本論文圍繞空間量子密鑰分配中的偏振劣化，包括系統(tǒng)中光學(xué)器件的不理想所導(dǎo)致的信號偏振光子的偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換以及大氣傳輸所帶來的信號光子的退偏振效應(yīng)，進(jìn)行了以下幾個方面的研究：
　　 （1）分析了空間量子密鑰分配

3、系統(tǒng)中偏振劣化的器件來源。指出光在光學(xué)器件的介質(zhì)分界面處折、反射時的偏振相關(guān)特性是系統(tǒng)中偏振劣化的物理根源。用來分/合束的偏振無關(guān)分束器（NPBS）的偏振相移特性的誤差是系統(tǒng)退偏振的重要來源。采用瓊斯矩陣法就NPBS對系統(tǒng)誤碼率的影響進(jìn)行了分析。提出對光路布置設(shè)計的改進(jìn)方案，在這一方案中，只對NPBS的透射p光與s光的相移差有性能要求，可以降低NPBS的偏振相移誤差對誤碼率的影響。并改進(jìn)設(shè)計了滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的新型NPBS。分別選用一般

4、NPBS和改進(jìn)設(shè)計過的NPBS構(gòu)建空間量子密鑰分配系統(tǒng)，進(jìn)行室外200米及1.3公里的空間量子密鑰分配對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期符合基本一致，改進(jìn)NPBS的設(shè)計及接收端光學(xué)系統(tǒng)的光路布置使系統(tǒng)誤碼率降低了2.6％，證明了對系統(tǒng)設(shè)計方案改進(jìn)的有效性。
　　 （2）提出了基于正交對稱結(jié)構(gòu)的空間量子密鑰分配系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計方案。在這一方案中，發(fā)射端和接收端采用同一種NPBS，兩者相互呈90°放置，使得經(jīng)過第一個NPBS的p光相對于第二

5、個NPBS是s光，而經(jīng)過第一個NPBS的s光相對于第二個NPBS是p光，從而抵消NPBS對透射p光和s光的相移差。這使得無需對NPBS的透射p光與s光的相移差作性能要求，就可以降低NPBS所帶來的偏振劣化對誤碼率的影響。采用瓊斯矩陣方法對這一方案的有效性進(jìn)行了理論驗(yàn)證，并給出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖。
　　 （3）采用蒙特卡羅方法詳細(xì)分析了偏振光在云霧大氣中的退偏振及傳輸損耗特性。分別針對不同濃度及不同平均粒子半徑的云霧模型，在不同的空

6、間量子密鑰分配系統(tǒng)的接收機(jī)參數(shù)下，進(jìn)行了數(shù)值模擬。得到了在不同的接收機(jī)參數(shù)下，偏振光經(jīng)過云霧大氣傳輸后的傳輸損耗及退偏振變化規(guī)律，為分析穿越云霧的空間量子密鑰分配提供了理論基礎(chǔ)。搭建了測量偏振光經(jīng)過大氣傳輸后的退偏振效應(yīng)的測試裝置，給出了在合肥地區(qū)測得的累積實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 （4）進(jìn)行了云霧大氣中空間量子密鑰分配的誤碼率仿真計算，討論了不同云霧大氣下空間量子密鑰分配的可行性。結(jié)果表明，在實(shí)際接收機(jī)系統(tǒng)參數(shù)下，多次散射引起的光子的