量子保密通信中若干關(guān)鍵器件的研制.pdf

1、量子力學(xué)是上世紀(jì)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(lèi)直觀的現(xiàn)象，開(kāi)拓了人類(lèi)的視野，擴(kuò)展了人類(lèi)的認(rèn)知，并從此開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。量子信息科學(xué)，正是利用了微觀粒子所具的量子力學(xué)特性，并將它與傳統(tǒng)信息科學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生了一門(mén)全新的學(xué)科。在量子信息學(xué)中，量子保密通信可以實(shí)現(xiàn)通信的絕對(duì)安全，具有經(jīng)典保密通信所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，有極高的實(shí)用價(jià)值，基于光纖網(wǎng)絡(luò)的量子保密通信也是目前量子信息領(lǐng)域唯一實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化的一個(gè)方向。這些特點(diǎn)，使量子

2、保密通信的研究成為當(dāng)今通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)紛紛投入了大量的人力資源與研究經(jīng)費(fèi)，也使量子保密通信技術(shù)發(fā)展的十分迅速。
　　 在量子保密通信中，其設(shè)備硬件由電子學(xué)器件和光學(xué)器件所組成，本文主要的研究?jī)?nèi)容為基于光纖通信的量子保密通信設(shè)備中激光源、同步系統(tǒng)和單光子探測(cè)器等三個(gè)關(guān)鍵電子學(xué)器件的研制，同時(shí)也介紹了我們所做的兩個(gè)光纖量子保密通信的實(shí)驗(yàn)。
　　 首先在本文的第一章簡(jiǎn)要的介紹了量子力學(xué)和量子信息的基礎(chǔ)知識(shí)，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(lèi)電子學(xué)器件的關(guān)鍵作用，指出了它們對(duì)整個(gè)量子通信系統(tǒng)性能的決定性影響。
　　 在第二章中，較為詳細(xì)介紹了光纖量子保密通信的基礎(chǔ)理論概念和主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)，對(duì)保證通信的絕對(duì)安全量子力學(xué)原理、各類(lèi)編碼方案、實(shí)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(lèi)激光器，一為工作在量子電話機(jī)系統(tǒng)中的窄

4、脈沖激光器，作為量子電話機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)單光子源同步光源；二為遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的高速脈沖信號(hào)激光器，可滿足遠(yuǎn)程量密鑰高工作頻率的要求；三是為高速單光子探測(cè)器的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)特制的超窄脈沖激光器，以適應(yīng)高速單光子探測(cè)器的超窄門(mén)寬。
　　 為了保障光纖量子保密通信系統(tǒng)達(dá)到高的成碼率與低的誤碼率，通信雙方必須有一個(gè)極小時(shí)間晃動(dòng)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(guò)波分復(fù)用的方法將同步光與信號(hào)光沿同一光路傳輸，使同

5、步光與信號(hào)光的相對(duì)晃動(dòng)達(dá)到了最小，使用高時(shí)間分辨的光電轉(zhuǎn)換器與甄別器，最終得到了滿足系統(tǒng)時(shí)間晃動(dòng)的同步系統(tǒng)。
　　 在光纖量子保密通信中，紅外單光子探測(cè)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(kāi)展了研制高速紅外半導(dǎo)體單光子探測(cè)器的工作。在高速單光子探測(cè)器的研制中，微弱雪崩信號(hào)提取是關(guān)鍵之處，也是一個(gè)難點(diǎn)，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(hào)，并搭建了一整套高速單光

6、子探測(cè)器的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)探測(cè)器的各個(gè)性能作了一個(gè)較完整的測(cè)量。
　　 在本文的最后，介紹了我們所做的兩個(gè)光纖量子保密通信的實(shí)驗(yàn)，從整體實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)一步驗(yàn)證工作其間的電子學(xué)器件的性能。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是世界上首部基于光纖量子保密通信的量子電話機(jī)實(shí)驗(yàn)，在該實(shí)驗(yàn)中，我們研制的窄脈沖單光子源與同步系統(tǒng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，量子密鑰的成碼率滿足了實(shí)時(shí)通話的要求；另一個(gè)是實(shí)現(xiàn)了目前光纖量子保密通信最遠(yuǎn)距離的遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，在該實(shí)驗(yàn)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?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：
　　 (1)使用窄脈沖成形電路的方法調(diào)制半導(dǎo)體激光器，使激光脈沖寬度達(dá)到1ns以內(nèi)，用精確的溫度控制使激光器輸出波長(zhǎng)、線寬、功率等保持穩(wěn)定。采用高性能FPGA和串并轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了最高1GHz的電子學(xué)輸出頻率和500MHz激光脈沖頻率。采用高速雪崩管實(shí)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(zhuǎn)換技術(shù)提取信號(hào)