自由空间量子密钥分发的实现技术研究

论文摘要

量子信息技术是利用量子力学特性,结合经典信息理论和方法,对信息进行表示、处理的一门新兴交叉学科。其中,量子安全通信(特别是量子密钥分发技术)被认为是目前最有可能率先投入实用的方向之一。根据不同的传播介质,量子密钥分发可分为光纤中的量子密钥分发和自由空间中的量子密钥分发。自由空间中不存在光纤中的双折射效应,无须铺设光缆,技术发展成熟后可用于安全的地—星通信,构建量子通信网的全球性网络,具有良好的发展前途。论文在全面了解国内外量子通信技术发展动态的基础上,重点研究了自由空间量子密钥分发系统的实现技术。本文设计并实现了自由空间量子密钥分发系统中的电子系统,包括随机信号产生、数据采集、无线信道通信、在线数据筛选、在线数据纠错及位图文件加/解密等六个子模块。在随机信号产生及数据采集子系统中,实现了多路随机信号产生发送及多路数据同时采集; 独立设计了量子密钥分发的数据处理子系统; 研究了在线数据筛选和在线纠错方法; 利用队列技术实现了错误块的批量比较及筛选,提高了传输效率; 在无线局域网上实现了纠错密钥的最终生成; 分析并解决了自由空间量子密钥分发系统电子部分的若干技术难点,如同步信号的传输、信号占空比的连续调节、多路信号时序的精确调节、在线密钥筛选和密钥纠错中大批量数据的传输等。作者参加完成了室外月光下的量子密钥分发实验,实验系统能够顺利完成数据的采集、分析及处理工作,所获得的量子密钥成功用于位图文件的加/解密,证明了该实验系统用于文件加密的可行性、正确性及实用性。论文还对实验数据进行了进一步分析,包括系统的平均光子数、错误率及密钥分发效率,揭示了上述实验参数对系统安全性及性能的影响及其相互关系。本文所做工作对量子安全通信的实用化具有较好的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 量子信息学发展现状
• 1.2 国内外量子密钥分发技术的实验研究现状
• 1.3 本文主要内容及意义
• 2 量子信息中的量子力学原理
• 2.1 量子力学的五大定律
• 2.2 量子位的基本性质
• 2.3 量子态的密度矩阵表示
• 2.4 纠缠态及其特性
• 2.5 本章小结
• 3 自由空间量子密钥分发系统总体方案
• 3.1 已有自由空间量子密钥分发实验方案概述
• 3.2 自由空间B92 协议量子密钥分发系统方案设计
• 3.3 本章小结
• 4 随机信号发生及数据采集子系统设计
• 4.1 随机信号发生模块的设计与实现
• 4.2 数据采集模块的设计与实现
• 4.3 本章小结
• 5 量子密钥分发的数据处理子系统设计
• 5.1 在线密钥筛选
• 5.2 在线密钥纠错
• 5.3 位图文件加密
• 5.4 本章小结
• 6 QKD 实验系统中若干难点的解决
• 6.1 同步信号传输
• 6.2 信号占空比连续调节
• 6.3 多路信号时序的精确调节
• 6.4 在线数据筛选和数据纠错中大批量数据的传送
• 6.5 本章小结
• 7 实验结果分析
• 7.1 实验数据的典型数值
• 7.2 平均光子数分析
• 7.3 密钥分发效率分析
• 7.4 位图加密实例演示
• 7.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读硕士学位期间参与的科研项目