高效低誤碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)研究.pdf

1、量子密鑰分發(fā)（Quantum：Key Distribution）作為量子力學(xué)和密碼學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，有區(qū)別于經(jīng)典通信方式的絕對(duì)安全性。在軍事、外交、國(guó)防等信息安全領(lǐng)域有重大的實(shí)用價(jià)值。
　　 論文主要圍繞高效、低誤碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究。在提高量子密鑰分發(fā)協(xié)議的密鑰生成效率方面，我們提出了一種通過(guò)利用相位編碼系統(tǒng)中的尾脈沖來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)成碼效率的新方法，構(gòu)建了基于路徑選擇單元的BB84相位編碼和差分相位編碼的實(shí)

2、驗(yàn)系統(tǒng)。采用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以將這兩種協(xié)議的光子利用率提高到100％，分別實(shí)現(xiàn)了密鑰生成效率為50％的BB84相位編碼方案和密鑰生成效率為1000％的差分相位編碼方案。在降低系統(tǒng)的誤碼率方面，我們主要研究了光脈沖在長(zhǎng)程傳輸中傳輸延時(shí)的特征，它對(duì)系統(tǒng)誤碼的影響以及相應(yīng)的物理模型和解決方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了基于波分復(fù)用技術(shù)的同步方式可以很好地消除傳輸延時(shí)對(duì)系統(tǒng)同步探測(cè)的影響，并提出了一種利用調(diào)節(jié)時(shí)鐘光和信號(hào)光相互作用截面來(lái)減小系統(tǒng)誤碼的同步方法

3、。針對(duì)光脈沖由于傳輸延時(shí)引起的時(shí)間抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)相干檢測(cè)過(guò)程誤碼的影響，在理論上給出了時(shí)間抖動(dòng)影響系統(tǒng)誤碼的物理模型，建立了時(shí)間抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)和系統(tǒng)誤碼率之間的定量關(guān)系。
　　 本學(xué)位論文的主要工作包括：
　　 1.系統(tǒng)協(xié)議效率的提高是量子密鑰分發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。從第一個(gè)光纖型的M-Z干涉儀方案提出以來(lái)，相位編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)得到了很好的發(fā)展。無(wú)論是BB84相位編碼系統(tǒng)，還是差分相位編碼系統(tǒng)，都是通過(guò)脈沖干涉來(lái)解

4、調(diào)相位信息的。在檢測(cè)相位信息時(shí)，所分裂的子脈沖總是不能被完全利用。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們提出了一種重新利用尾脈沖來(lái)提高系統(tǒng)協(xié)議效率的新方法，設(shè)計(jì)了一種全新的差分相位編碼方案。與傳統(tǒng)的差分相位編碼系統(tǒng)相比，我們?cè)贐ob端引入了一個(gè)光開(kāi)關(guān)控制的光纖延遲環(huán)，重新利用被丟棄的子脈沖來(lái)獲得相位信息，使系統(tǒng)的協(xié)議效率提高到了100％。同時(shí)，我們還提出了一種基于偏振路徑選擇的高效穩(wěn)定的BB84相位編碼方案。系統(tǒng)方案采用了偏振分束器和雙不等臂的法拉第反射鏡

5、干涉環(huán)，實(shí)現(xiàn)了光脈沖的偏振選擇路徑方式，光子得到充分的利用，方案的協(xié)議效率達(dá)到了50％。
　　 2.利用基于弱相干光的差分相位編碼系統(tǒng)，我們進(jìn)行了75km戶外光纖的量子密鑰分發(fā)同步性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)目前常用的三種不同的同步方式（基準(zhǔn)時(shí)鐘同步，雙光纖系統(tǒng)同步和WDM技術(shù)同步）進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明采用WDM技術(shù)的同步方式可以大大提高探測(cè)的效率。針對(duì)目前光纖器件工藝水平造成的附加誤碼，首次提出了一種利用調(diào)節(jié)時(shí)鐘光和信號(hào)光相

6、互作用截面來(lái)減小系統(tǒng)誤碼的同步方法。通過(guò)理論計(jì)算，該方法對(duì)于75km傳輸距離的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的適用條件是工作頻率需低于7MHz。
　　 3.光脈沖在長(zhǎng)程光纖中傳輸，會(huì)由于傳輸延時(shí)的原因造成不能按照理想時(shí)刻到達(dá)通信接收機(jī)，這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)基于相位編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的誤碼率帶來(lái)一定程度的影響。我們測(cè)量了光脈沖在不同傳輸距離和不同外界環(huán)境影響下基于差分相位編碼和雙不等臂M-Z相位編碼系統(tǒng)的時(shí)間抖動(dòng)，建立了相位編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中誤碼