量子保密通信中若干關鍵器件的研制.pdf

1、量子力學是上世紀最偉大的物理發(fā)現(xiàn)之一，它揭示了微觀下許多違反人類直觀的現(xiàn)象，開拓了人類的視野，擴展了人類的認知，并從此開創(chuàng)了一個全新的研究領域。量子信息科學，正是利用了微觀粒子所具的量子力學特性，并將它與傳統(tǒng)信息科學相結合而產生了一門全新的學科。在量子信息學中，量子保密通信可以實現(xiàn)通信的絕對安全，具有經典保密通信所無法比擬的優(yōu)勢，有極高的實用價值，基于光纖網絡的量子保密通信也是目前量子信息領域唯一實現(xiàn)了實用化的一個方向。這些特點，使量子

2、保密通信的研究成為當今通信領域的熱點，國內外各大研究機構紛紛投入了大量的人力資源與研究經費，也使量子保密通信技術發(fā)展的十分迅速。
　　 在量子保密通信中，其設備硬件由電子學器件和光學器件所組成，本文主要的研究內容為基于光纖通信的量子保密通信設備中激光源、同步系統(tǒng)和單光子探測器等三個關鍵電子學器件的研制，同時也介紹了我們所做的兩個光纖量子保密通信的實驗。
　　 首先在本文的第一章簡要的介紹了量子力學和量子信息的基礎知識，介

3、紹了量子保密通信的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，以及量子保密通信中這三類電子學器件的關鍵作用，指出了它們對整個量子通信系統(tǒng)性能的決定性影響。
　　 在第二章中，較為詳細介紹了光纖量子保密通信的基礎理論概念和主要實現(xiàn)技術，對保證通信的絕對安全量子力學原理、各類編碼方案、實現(xiàn)光子加載量子態(tài)的模式，以及可能存在的安全漏洞和防范等都有詳盡的闡述。
　　 第三章是我們研制單光子源的工作，介紹了自主研制的三類激光器，一為工作在量子電話機系統(tǒng)中的窄

4、脈沖激光器，作為量子電話機系統(tǒng)的信號單光子源同步光源；二為遠程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的高速脈沖信號激光器，可滿足遠程量密鑰高工作頻率的要求；三是為高速單光子探測器的測試系統(tǒng)平臺特制的超窄脈沖激光器，以適應高速單光子探測器的超窄門寬。
　　 為了保障光纖量子保密通信系統(tǒng)達到高的成碼率與低的誤碼率，通信雙方必須有一個極小時間晃動的同步系統(tǒng)，本文第四章就是我們研制該同步系統(tǒng)的工作。我們通過波分復用的方法將同步光與信號光沿同一光路傳輸，使同

5、步光與信號光的相對晃動達到了最小，使用高時間分辨的光電轉換器與甄別器，最終得到了滿足系統(tǒng)時間晃動的同步系統(tǒng)。
　　 在光纖量子保密通信中，紅外單光子探測器的工作頻率已成為制約成碼率與通信距離提高的瓶頸，為解決這一難題，我們開展了研制高速紅外半導體單光子探測器的工作。在高速單光子探測器的研制中，微弱雪崩信號提取是關鍵之處，也是一個難點，在本文中，我們使用帶阻濾波器和自差分相消電路的方法，提取了微弱的雪崩信號，并搭建了一整套高速單光

6、子探測器的測試平臺，對探測器的各個性能作了一個較完整的測量。
　　 在本文的最后，介紹了我們所做的兩個光纖量子保密通信的實驗，從整體實驗的角度進一步驗證工作其間的電子學器件的性能。第一個實驗是世界上首部基于光纖量子保密通信的量子電話機實驗，在該實驗中，我們研制的窄脈沖單光子源與同步系統(tǒng)發(fā)揮了關鍵作用，量子密鑰的成碼率滿足了實時通話的要求；另一個是實現(xiàn)了目前光纖量子保密通信最遠距離的遠程量子密鑰分發(fā)實驗，在該實驗中，以高速激光器作

7、為單光子源，在200km的距離成功的生成了密鑰。
　　 本文的主要創(chuàng)新點有：
　　 (1)使用窄脈沖成形電路的方法調制半導體激光器，使激光脈沖寬度達到1ns以內，用精確的溫度控制使激光器輸出波長、線寬、功率等保持穩(wěn)定。采用高性能FPGA和串并轉換技術，實現(xiàn)了最高1GHz的電子學輸出頻率和500MHz激光脈沖頻率。采用高速雪崩管實現(xiàn)了寬度小于100ps的激光脈沖輸出。
　　 (2)使用激光發(fā)射與光電轉換技術提取信號