量子通信系统中数据采集体系研究

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1、量子通信系统中数据采集体系研究第一章量子通信基本概念用于描述微观世界结构、运动与变化规律的物理学科被称为量子力学。20世纪它的出现引发了一系列划时代的科学发现与技术革命，带动了包括核能、激光、半导体等与现代社会发展息息相关的科技的发展。上个世纪80年代，产生了一门由量子力学、信息科学与计算机科学相结合的新兴学科-量子信息学，从而引发了包括量子通信和量子计算等方面的大量科学实验研宄。量子通信作为30多年来发展最为迅速的量子信息技术之一，具有通信效率高、信道容量大和绝对安全等经典通信完全无法比拟的优势。量子密明分发是量子通信中最重要的部分之一，其目的是让

2、通信双方利用不安全的传输通道完成安全的密钢协商。量子密钢分发的安全性由密朗的生成和管理机制决定，确保通信双方可以发现窃听者，保证密钢分发安全性。Bent.C.H和Brassard.G于1984年提出了最早的量子密锡分发协议?，因此此协议被称之为BB84协议。BB84协议利用光子的偏振态来传输信息，发送方Alice和接收方Bob利用量子信道(如果利用光子作为量子态载体,对应的量子信道就是传输光子的光纤)来传输量子态；同时双方通过一条公共经典信道（比如因特网）比较测量基矢和其他信息交流，进而两边同时安全的获得和共享一份相同的密销。公共信道的安全性不需考虑

3、，BB84协议在设计时已经考虑到了两种信道（量子信道与公共信道）都被第三方(Eavesdropper通常称为Eve)窃听的可能。当Alice发出脉冲信号时，Eve可以通过非破坏测量方法获得每个脉冲二信号中的光子数；Eve截获所有的单光子脉冲；对于n(n>l)光子脉冲，Eve通过一定方式分流出一个光子，Bob端将接收到Eve通过一个无损信道所发送过来的剩下的n-1个光子。上述BB84协议的绝对安全性是基于严格的单光子源，而在实际的实验中产生完美的单光子源是一件十分困难的事情，往往釆用衰减到一定水平的弱相干光源作为近似的单光子源，这也意味着弱相干光

4、源发出的脉冲可能是多光子脉冲，这样，通信中传输的全部信息将能够被攻击者采用非破坏的方法获得而且能够不被发现。当Alice发出脉冲信号时，Eve可以通过非破坏测量方法获得每个脉冲二信号中的光子数；Eve截获所有的单光子脉冲；对于n(n>l)光子脉冲，Eve通过一定方式分流出一个光子，Bob端将接收到Eve通过一个无损信道所发送过来的剩下的n-1个光子。这样，当Alice和Bob公布所采用的测量基矢时，Eve便可以获得ALice传输给Bob的全部信息但是却没有引入任何的误码率，Alice与Bob便不能发现窃听者Eve的存在。总之，对于现有相干态密钢

5、分发实验['-5]，窃听者可以在不留下任何痕迹的基础上获取全部信息。这个过程被称为光子数分离攻?击。..第二章量子通信系统中多通道数据采集系统原理2.1量子通信系统中数据采集基本概念基于BB84的量子密铜分发过程在上面中已经介绍，为了获取足够的密钢来对图片、音频等进行加密处理，需要在Alice端（发射端）产生足够的随机比特。在实验中，需要随机数产生器来产生大量的随机数，并通过随机数发生器产生的大量随机数来随机的选择基矢以及激光器来发出处于相应偏振态的光子。在Bob端（接收端）也同样随机选择大量足够的测量基矢（+或X)，Bob端测量他接收到的每

6、个光子并记录所选的基和测量结果。同时通过公共经典信道同Alice端进行交互，Alice公布制备每个光子量子态所选择的基矢，Bob将测量对应光子所选择的测量基矢与之对比，舍弃那些双方选择了不同的基矢的比特（50%)，剩下的比特还原保留为他们共有的密朗,在大量随机数产生的随机基矢和随机偏振基础上，便能产生足够的量子密钥来对图片、音频等进行加密传输。单光子探测器在光子入射后能十分迅速的形成计数脉冲，并且在产生计数脉冲后能迅速的恢复为原来的状态，为下一次探测做好准备，在发射端随机的产生一连串的光子输出后会在单光子探测器探测后形成一连串的计数脉冲，这些计数脉冲

7、将送入数据采集系统中进行处理。因此，此种通信模式需要数据釆集系统具有计数功能。2.2多通道数据采集系统工作原理基于BB84协议的量子通信实验中需要获取一连串足够比特的量子密钥。在密钥分发的发射端，某一时刻，通过随机数随机的选择某一激光器发出处于相应偏振态的光子，在下一时刻重新通过随机数选择某一激光器发出的光子，可能与上一时刻激光器相同，也可能是其他三个中的任何一个，这个过程是连续并且随机的，所以在发射端不存在同一时间两个或以上激光器同时发出光子的情况。因此在接收端，单光子探测器探测到光子后每路输入到釆集系统的计数脉冲如下图2-2所示。在某一时间，（H

8、、V、+、-)四路通道中只有一路具有计数脉冲，如图2-2所示，第一时刻的计数脉冲出现在H通道中，下一个时刻则