基于Stokes参量的相干态量子密钥分配方案的研究

论文摘要

利用光的量子特性，量子密钥分配为合法的通信双方Alice和Bob提供共享密钥，它是建立在量子力学原理的基础上，具有窃听可检测性和无条件安全性等优点。本文主要侧重于基于Stokes参量的相干态量子密钥分配的理论和实验研究，探索了一种连续变量量子密钥分配方案的新方法。本文通过一种Alice方使用高斯幅度编码和相位调制Stokes偏振编码，Bob方采用零差相干测量Stokes分量的新型量子密钥分配方案。搭建了整个系统的光路平台，将信号光和本征光在一束光束中同时传播，具有结构简单，相干度高的优点。结合LabVIEW虚拟仪器技术实现连续变量高斯随机数偏振编码和幅度编码，完成SU（2）变换盒和零差检测电路的设计。根据量子力学理论推导结果，采用LabVIEW构造相位调制偏振编码系统，通过改变电光相位调制器的输入电压，即可得出不同的偏振态，实现相位调制偏振编码。实验数据验证了系统的可行性，得出零差检测装置检测到电压大小与相位调制输入电压有余弦关系。结合分振幅法和零差相干检测构造Stokes参量测量装置，通过琼斯矩阵理论推导和实验验证该装置能够测量Stokes参量。设计并制作一套Q-Q-H结构的SU（2）变换盒装置，该装置的控制电路采用ATmega16L单片机和LabVIEW上位机编程实现，实验数据表明SU（2）变换盒能够随机选择Stokes算符测量基。实验以每104个脉冲组成一个爆发群，采用相位调制器对激光器的初相位进行补偿。基于LabVIEW实现8位连续变量高斯偏振编码，选取103个实验数据分析，得出通信速率为3kbits/s，误码率趋于0。采用Y轴等间隔量化编码和二极管包络检波硬件解码，基于FPGA实现16位连续变量高斯幅度编码，选取104个实验数据分析，得出通信速率4kbits/s，误码率0.54%。利用高放大倍数（60dB-107dB），高信噪比（>25dB）的零差检测电路，具有集成度高，增益可调，能够抑制外界200Hz干扰噪声等特点。实验数据分析得出量子噪声分布满足泊松分布，制作的检测电路能够用于相干态量子实验中。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究进展
• 1.3 研究工作与创新
• 1.4 论文结构及章节安排
• 第二章 基于 Stokes 的量子密钥分配方案
• 2.1 Stokes 原理
• 2.1.1 Stokes 参量
• 2.1.2 Stokes 算符
• 2.2 整体光路设计
• 2.3 Stokes 参量的测量方法
• 2分量'>2.3.1 零差测量 S₂分量
• 3分量'>2.3.2 零差测量 S₃分量
• 2.4 SU（2）变换盒
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于 LabVIEW 的相位调制偏振编码
• 3.1 虚拟仪器技术
• 3.1.1 虚拟仪器的概念
• 3.1.2 LabVIEW
• 3.2 相位调制偏振编码
• 3.2.1 控制系统
• 3.2.2 原理分析
• 3.2.3 实验数据
• 3.2.4 两路同时检测
• 3.3 连续变量高斯偏振编码
• 3.3.1 连续变量高斯随机数
• 3.3.2 高斯偏振编码控制方案
• 3.3.3 实验数据
• 3.3.4 稳定性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 连续变量高斯幅度编码与 SU（2）变换盒设计
• 4.1 连续变量高斯幅度编码
• 4.1.1 幅度解码方案选择
• 4.1.2 八位连续变量高斯编码
• 4.1.3 十六位连续变量高斯编码
• 4.1.4 稳定性分析
• 4.2 SU（2）变换盒设计
• 4.2.1 整体方案设计
• 4.2.2 AVR 单片机控制
• 4.2.3 LabVIEW 上位机
• 4.2.4 实验测试
• 4.2.5 SU（2）变换盒性能
• 4.3 本章小结
• 第五章 零差检测电路的量子噪声特性研究
• 5.1 零差检测电路的设计
• 5.1.1 电源设计
• 5.1.2 光压转换
• 5.1.3 可调增益差分放大
• 5.1.4 检测电路的特点
• 5.2 信噪比分析
• 5.2.1 LabVIEW 软件仿真
• 5.2.2 实验数据 SNR 分析
• 5.2.3 不同放大倍数的 SNR 分析
• 5.3 量子噪声特性研究
• 5.3.1 理论分析
• 5.3.2 实验测量
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文