长距离量子密钥分发系统

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1、长距离量子密钥分发系统长距离量子密钥分发系统长距离量子密钥分发系统【摘要】：量子保密通信提供了一种绝对安全的通信方案，它的安全性由不可改变的自然规律保证，是任何技术都无法攻破的。本文以实用的长距离量子密钥分发系统为研究目的，围绕着困扰长距离量子密钥分发的三个主要技术障碍，分别就纠缠光子产生，单光子探测，稳定和安全的量子密钥分发方案展开研究。我们通过BBO晶体内非共线光参量放大，同时实现了光参量下转换和上转换。这种光子级联四波混频过程产生了紫外和可见的纠缠彩虹对。彩虹对由波长连续变化的紫外和可见光子组成，这些光子一一对应相互纠缠，并且按照角度变化组成彩虹环。纠缠彩虹对能够同时提

2、供多波长的纠缠光子对，其中紫外纠缠光子能够用于产生进一步纠缠。进而，本文提出了基于多波长纠缠光子对的高效的量子通信网络方案。在单光子探测研究中，本文提出了电容平衡门脉冲单光子探测技术，利用可调电容产生一个相同的尖峰噪声，然后通过差模网络抵消。该技术克服了尖峰噪声的影响，使基于InGaAs／InP-APD的近红外单光子探测器能够工作在最佳状态，获得了极高的信噪比，其在1550nm的暗计数与探测效率比为1.7×10~(-6)／脉冲，是目前国际上最好的指标之一。基于电容平衡门脉冲单光子探测技术，我们随即成功开发了新型的近红外单光子探测器，它具有操作简便，结构紧凑，性能优异，工作稳定

3、等特点。我们提出和实现了基于Sagnac干涉仪的量子密钥分发方案，被美国LosAlamos国家实验室的量子保密通信路线图列为代表性方案之一。随后我们在50km光纤中完成了长期稳定的PlugPlay量子密钥分发系统，平均光子数0.1，误码率低于4％。在该PlugPlay系统基础上，我们利用自行研制的高信噪比的近红外单光子探测器，实现了155km单光子路由实验，干涉对比度达到87％。由于光纤本身不均匀，以及外界压力和温度变化，使得光纤双折射无规则随机变化，从而使偏振态在长距离光纤中无法稳定传输。本文发展了一种单光子水平的偏振反馈补偿技术，解决了偏振光在光纤中传输时因光纤双折射变化

4、引起的随机抖动，在长距离光纤中实现了长时间稳定的单光子水平的偏振态传输，并首次在100km长距离光纤中实现了基于偏振编码的量子密钥分发模拟实验。我们在实验上模拟了截取-重发攻击，并且提出了基于强参考光的量子密钥分发方案，通过监测强参考光，可以有效地阻止光子分束攻击，从而使基于相干光源的量子密钥分发系统的安全距离延长至146km。【关键词】：量子保密通信量子密钥分发单光子探测纠缠光子Sagnac干涉仪单光子路由截取-重发攻击光子分束攻击【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：TN918【目录】：摘要6-8Abstract8-10目录

5、10-13第一章引言13-151.1经典密码学131.2量子保密通信13-141.4论文内容安排14-15第二章量子保密通信简介15-262.1量子保密通信的量子力学基础15-172.1.1量子态叠加和量子比特152.1.2测不准原理与量子不可克隆定理15-172.2量子密钥分发协议17-202.2.1BB84协议17-192.2.2EPR协议19-202.3量子密钥分发发展现状20-242.3.1空间-相干光量子密钥分发212.3.2空间-单光子量子密钥分发21-222.3.3空间-纠缠光子对量子密钥分发222.3.4光纤-单向-相干光量子密钥分发22-232.3.5光纤-

6、单向-纠缠光子量子密钥分发232.3.6光纤-双向-相干光量子密钥分发232.3.7高速量子密钥分发23-242.4量子密钥分发的实际技术瓶颈24-26第三章多波长time-bin纠缠光子26-403.1EPR佯谬和Bell不等式26-303.1.1EPR佯谬26-283.1.2Bell不等式28-303.2纠缠光子源简介30-333.2.1偏振纠缠光子30-323.2.2Energy-time和time-bin纠缠光子32-333.3多波长time-bin纠缠光子源33-393.3.1纠缠彩虹对实验装置33-343.3.2纠缠彩虹对的产生机制34-363.3.3彩虹对的光子

7、关联性363.3.4纠缠彩虹对的关联特性36-383.3.5纠缠光子的波长调谐38-393.4小结39-40第四章单光子探测40-654.1单光子探测概述40-444.2近红外单光子探测器研究44-494.2.1盖革模式及其抑制电路44-464.2.2雪崩光电二极管的特性及单光子探测性能参数46-484.2.3门脉冲单光子探测48-494.3双APD平衡门脉冲单光子探测49-544.3.1双APD平衡门脉冲单光子探测电路设计49-504.3.2双APD平衡门脉冲单光子探测尖峰噪声抵消50-524.3.3