空间量子密钥分配中的偏振劣化及系统改进设计

论文摘要

在这个信息呈爆炸式增长的年代,信息的安全问题日益突出,保密通信的需求日益增长。安全密钥的获取是保密通信的关键。量子密钥分配由于可以提供大量安全密钥的分发而受到人们的青睐。经过二十余年的发展,在量子密钥分配的两大关键指标,即实现密钥分配的距离和成钥速率两方面都有了巨大的进步。但是,从目前的空间量子密钥分配实验结果来看,当传输距离大于10公里时,误码率都在5%以上,最终的成钥率只有几百bit/s。由于空间量子密钥分配一般采用偏振态编码方式,如果信号光子的偏振态在产生或传输的过程中偏离了密钥分配协议所要求的理想偏振态,即偏振发生劣化,将导致密钥误码率的增加。因此,有效解决空间量子密钥分配中的偏振劣化问题,是降低系统误码率、提升密钥分配效率的关键之一。本论文围绕空间量子密钥分配中的偏振劣化,包括系统中光学器件的不理想所导致的信号偏振光子的偏振态的转换以及大气传输所带来的信号光子的退偏振效应,进行了以下几个方面的研究:(1)分析了空间量子密钥分配系统中偏振劣化的器件来源。指出光在光学器件的介质分界面处折、反射时的偏振相关特性是系统中偏振劣化的物理根源。用来分/合束的偏振无关分束器(NPBS)的偏振相移特性的误差是系统退偏振的重要来源。采用琼斯矩阵法就NPBS对系统误码率的影响进行了分析。提出对光路布置设计的改进方案,在这一方案中,只对NPBS的透射p光与s光的相移差有性能要求,可以降低NPBS的偏振相移误差对误码率的影响。并改进设计了满足系统设计要求的新型NPBS。分别选用一般NPBS和改进设计过的NPBS构建空间量子密钥分配系统,进行室外200米及1.3公里的空间量子密钥分配对比实验。实验结果与理论预期符合基本一致,改进NPBS的设计及接收端光学系统的光路布置使系统误码率降低了2.6%,证明了对系统设计方案改进的有效性。(2)提出了基于正交对称结构的空间量子密钥分配系统的改进设计方案。在这一方案中,发射端和接收端采用同一种NPBS,两者相互呈90°放置,使得经过第一个NPBS的p光相对于第二个NPBS是s光,而经过第一个NPBS的s光相对于第二个NPBS是p光,从而抵消NPBS对透射p光和s光的相移差。这使得无需对NPBS的透射p光与s光的相移差作性能要求,就可以降低NPBS所带来的偏振劣化对误码率的影响。采用琼斯矩阵方法对这一方案的有效性进行了理论验证,并给出实验系统的示意图。(3)采用蒙特卡罗方法详细分析了偏振光在云雾大气中的退偏振及传输损耗特性。分别针对不同浓度及不同平均粒子半径的云雾模型,在不同的空间量子密钥分配系统的接收机参数下,进行了数值模拟。得到了在不同的接收机参数下,偏振光经过云雾大气传输后的传输损耗及退偏振变化规律,为分析穿越云雾的空间量子密钥分配提供了理论基础。搭建了测量偏振光经过大气传输后的退偏振效应的测试装置,给出了在合肥地区测得的累积实验结果。(4)进行了云雾大气中空间量子密钥分配的误码率仿真计算,讨论了不同云雾大气下空间量子密钥分配的可行性。结果表明,在实际接收机系统参数下,多次散射引起的光子的退偏振对系统误码率的影响相对于探测器暗记数与背景光噪声之和对误码率的影响是可以忽略的。通过计算得出了穿越云雾的量子密钥分配的误码率与云雾浓度的关系,论证了可以进行有效空间量子密钥分配的云雾浓度上限和对应的气象视距。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 空间量子密钥分配技术的研究背景及意义
• 1.2 空间量子密钥分配技术的简要发展历史与现状
• 1.3 本文的研究对象
• 1.4 本文的主要章节
• 1.5 参考文献
• 第2章 综述
• 2.1 量子密钥分配的发展历史及研究现状
• 2.1.1 量子密钥分配的思想来源及安全性
• 2.1.2 量子密钥分配协议的发展
• 2.1.3 空间量子密钥分配的实验进展
• 2.2 空间量子密钥分配的信道特性研究
• 2.2.1 大气散射粒子的微观物理特性
• 2.2.1.1 湍流的微观物理特性
• 2.2.1.2 气溶胶的微观物理特性
• 2.2.1.3 雾的微观物理特性
• 2.2.1.4 云的微观物理特性
• 2.2.2 偏振光经过大气传输后的退偏振的研究进展
• 2.2.2.1 偏振光经过湍流大气后的退偏振
• 2.2.2.2 偏振光经过非湍流散射体后的退偏振
• 2.3 参考文献
• 第3章 空间量子密钥分配系统中的偏振劣化及改进设计
• 引言
• 3.1 空间量子密钥分配的常用协议与系统构成
• 3.1.1 BB84 协议及其系统构成
• 3.1.2 B92 协议及其系统构成
• 3.2 空间量子密钥分配系统中的偏振劣化
• 3.2.1 偏振光经过介质分界面反射和折射的偏振特性
• 3.3 空间量子密钥分配系统的改进设计及实验验证
• 3.4 使用正交对称结构的空间量子密钥分配系统的改进设计
• 3.5 结论
• 3.6 参考文献
• 第4章 空间量子密钥分配信道的退偏振特性
• 引言
• 4.1 偏振的描述
• 4.2 单次散射对偏振态的影响
• 4.2.1 单次散射的远场的描述
• 4.2.2 散射的计算
• 4.2.3 球形粒子的散射远场及其偏振特性
• 4.2.4 非球形粒子的远场及其偏振特性
• 4.3 多次散射对偏振态的影响
• 4.3.1 矢量辐射传输方程
• 4.3.2 大粒子多次散射的解析近似
• 4.3.3 用蒙特卡罗法来模拟多次散射的退偏振
• 4.3.3.1 蒙特卡罗方法
• 4.3.3.2 偏振光经过水云、雾后的损耗及退偏振
• 4.4 偏振光在不同能见度大气中传输的退偏振测量试验
• 4.5 穿越云雾大气的量子密钥分配的可行性分析
• 4.6 结论
• 4.7 参考文献
• 第5章 论文总结论及展望
• 5.1 论文内容的总结
• 5.2 本研究的创新点及其意义
• 5.3 研究中尚难解决的问题及下一步工作的展望
• 5.3.1 系统研究方面
• 5.3.2 信道退偏振研究方面
• 致谢