论文题目: 量子保密通信系统及其关键技术的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 光学
作者: 周春源
导师: 曾和平
关键词: 量子信息学,量子保密通信,量子密码术,量子密钥分发,单光子干涉,量子随机源,相位调制
文献来源: 华东师范大学
发表年度: 2005
论文摘要: 量子信息学的研究发现，如果能通过量子态编码来传送密码信息的话，那么依据量子力学不确定性原理，任何对量子载体的测量或复制行为都将改变原量子态。这为我们提供了一种主动发现窃听者的方法，即量子保密通信。与任何传统密码术都不同的是，它借助于自然法则的威力，从根本上杜绝了非法窃听的可能性，将为人们提供一种“无条件”的安全通信方法。本文工作致力于量子保密通信技术初步实用化的研究，目标是探索量子密钥分发的新方案与新技术，并完成长距离长期稳定的光纤型量子密钥分发系统。在量子密钥分发方案研究方面，我们主要着力于提高保密通信的稳定性和成码率。因而我们首先提出了基于Sagnac干涉仪的量子保密通信方案。该方案巧妙地使用了环形光路的结构，不借助任何主动或被动元件就可以自动补偿相位抖动；采用分时相位调制技术控制单光子干涉，密码交换方法简单可靠。是目前为数不多的利用双向自动补偿而实现稳定传输密钥的长距离保密通信方案之一。本论文还提出了法拉第反射镜与相位差分方案结合(“Phlg&Play”+DSP)的量子密钥分发方案。该方案通过相位调节伺服系统和往复光路补偿技术，能够有效地克服单光子单向传输过程中的相位抖动和偏振模式色散(PMD)等问题，具有高稳定性；并结合Yamamoto等人提出的相位差分编码方法，能够实现高达2／3的密钥成码率。该方案还具有很强的可扩展性。在不改变总体结构的情况下，仅仅通过增加部分光路元件的方法就可以使密钥成码效率提高到(n-1) ／n(n=3，4，5，…)，是一种有潜力的新方案。围绕量子保密通信系统的研究，我们发展了一系列关键性的技术。在单光子探测方面，我们提出了多种单光子探测的技术方案。解决了APD光纤耦合、低温制冷控温(-50℃--110℃)等技术难题，研制出实用化的单光子探测器，并成功应用于单光子干涉实验和量子保密通信系统中，为红外单光子信息处理等领域提供了高灵敏的探测手段。其核心指标，暗计数率与量子效率的{确要比值(Pd/几)超过商售同类产品一个数量级。 为解决相位差分编码方案中时间信息检测的问题，找们提出了一种基于多重探测门(multi一gate)的单光子11寸序检测器(Time diseriminator)。一般认为，山于InGaAS雪崩光电二极管的后脉冲发生机率较大，不适于快速的时间探测。而实验中我们恰恰不lJ用了发生在{i汀后相继的多个脉冲门中的后脉冲来帮助识别单光子时间信息，为近红外单光子时序检测提供了一种有效方法。 在单光子十涉和单光子操控的研究中，我们提出并实现了华十光纤S雌11ac干涉仪的长距离单光子干涉和单光子路山实验。在50公啾的光纤环路中获得的单光子干涉可见度达到95%;基于s雌11ac二卜涉仪的长距离单光子路山器有望应运于单光子量子信息研究。 我们还发展了偏振量子随机源技术，首次将USBZ.O数据接口应用于高速光量子真随机信号发生器，实现了“即插即用”的功能。该系统使用简便，随机码的采样速率可达SMHZ，随机数的序列相关性达到10一“量级，单字节嫡值不小于7.99;将为量子保密通信的安全性提供有力保障。该随机信号发生器也适用于经典密码学和模拟计算等其它领域。 最后，采用了精确我们研制完成了50.6公里通信光纤中的量子密钥分发系统。该系统电子学同步触发和偏振无关的相位调制技术，并应用自行训敏单光子探测仪，准单光子脉冲平均光子数小于0.1，误码率仅为4%，制的!佰灵充分保证了量子通道的安全性;该系统还应用了自行旬{制的华于IJ 5 B2.0量子保密通信专用数据采集系统，具有“即插即用”的特点。密钥分发的稳定工作时问不小于12小时，所生成的随机密钥可直接用一于图象加密的演示实验。该系统一J一二2004年9月26日通过了_上海市科委组织的专家鉴定〕此前，我们还完成了国内第一台光纤量子保密通信样机系统，成功地进行了局域网的图象通信实验，井参力11了上海国际工业一博览会的展出，初步显示了量子密码术的应用前景。
论文目录:
摘要
Abstract
目录
第一章 引言
密码学简史
量子密码术概况
参考文献
第二章 量子信息和量子密钥
2．1 量子信息学简介
2．1．1 量子比特和量子叠加态
2．1．2 量子不可克隆定理
2．1．3 测量导致对量子信息的扰动
2．2 量子密码术原理
2．2．1 一次性便签密码
2．2．2 单光子信息编码
2．2．3 量子密钥分发
参考文献
第三章 单光子探测器
3．1 雪崩光电二极管(APD)
3．1．I P-N结的雪崩效应
3．1．2 APD的结构
3．2 基于APD的单光子探测技术
3．2．1 APD的特性参数
3．2．2 雪崩电流的抑制
3．3 双APD平衡差分门控方式单光子检测器
3．3．1 平衡相消工作原理
3．3．2 APD直流偏置电压和门控脉冲
3．3．3 平衡差分门控单光子探测器实验结果
3．4 高性能单光子探测仪
3．4．1 两种APD的比较与选用
3．4．2 分立电容补偿 APD结电容
3．4．3 实用化单光子探测仪
3．5 多重探测门与单光子时序检测
3．5．1 单光子时序检测原理
3．5．2 单．光子时序检测实验
3．6 双门控(Dual gate)模式红外单光子探测器
3．6．1 电路原理
3．6．2 实验装置
3．6．3 偏压门的延时与后脉冲的抑制
3．6．4 双门控单光子探测器的量子效率与暗噪声
小结
参考文献
第四章 单光子干涉及路由控制
4．1 单光子干涉
4．1．1 单光子源
4．1．2 单光子干涉仪
4．1．3 Sagnac单光子干涉实验(1)
4．1．4 Sagnac单光子干涉实验(2)
4．2 Sagnac单光子路由技术
4．2．1 使用一个控制端的单光子路由实验
4．2．2 双控制端单光子路由实验
小结
参考文献
第五章 量子随机源实验
5．1 光子偏振编码产生随机数
5．2 '即插即用'的光量子真随机源
5．2．1 实验原理及装置
5．2．2 数据处理和随机分析
小结
参考文献
第六章 量子保密通信系统方案研究
6．1 基于 Sagnac单光子干涉仪的量子保密通信系统
6．2 “即插即用”的相位差分调制技术方案
6．2．1 光路设计
6．2．2 法拉第反射镜和相位编码
6．2．3 成码率分析
6．2．4 安全性讨论
6．3 “即插即用”的相位差分调制技术扩展方案
6．3．1 基于串联 M-Z的扩展方案
6．3．2 并联方案与n级扩展
小结
参考文献
第七章 量子保密通信实验
7．1 B92协议实验
7．2 BB84协议实验
7．3 B92协议量子保密通信系统性能优化
7．4 量子保密通信实用性演示
小结
参考文献
第八章 量子保密通信样机系统
8．1 系统原理
8．2 光学系统
8．3 电子学同步
8．3 偏振无关的相位调制
8．4 功能单元
8．4．1 控制系统
8．4．2 随机编码相位调制器驱动模块
8．4．3 APD雪崩信号整形处理电路
8．4．4 并口LPT数据采集系统
8．5 样机系统工作流程
8．5．1 主控方单片机程序
8．5．2 量子密钥生成总流程
8．5．3 量子保密通信展示系统
小结
参考文献
第九章 结沦
9．1 本文工作的意义和创新点
9．2 量子保密通信应用前景
附录
A1 常用光通信器件
A2 量子保密通信部分电路图
A3 LPT并口结构简介
A4 计算机并口数据采集函数源码
A5 Bob端89C51单片机汇编源码
A6 《长距离长期稳定的量子保密通信系统》性能测试
博士期间论文成果及专利
致谢
发布时间: 2005-04-07
参考文献
- [1].量子保密通信中若干问题的研究[D]. 张明慧.西北工业大学2017
- [2].量子保密通信中若干关键器件的研制[D]. 蔡文奇.中国科学技术大学2010
- [3].量子保密通信方案及信道传输特性研究[D]. 黄鹏.上海交通大学2013
- [4].连续变量量子保密通信技术研究[D]. 陆鸢.上海交通大学2011
- [5].量子保密通信关键器件研制及攻防研究[D]. 江木生.国防科学技术大学2015
- [6].量子密钥分配网络研究[D]. 张涛.中国科学技术大学2008
相关论文
- [1].量子通信与量子密码实验研究[D]. 陈腾云.中国科学技术大学2006
- [2].远程量子通信的理论研究[D]. 韩超.中国科学技术大学2006
- [3].远距离量子通信[D]. 张军.中国科学技术大学2007
标签：量子信息学论文; 量子保密通信论文; 量子密码术论文; 量子密钥分发论文; 单光子干涉论文; 量子随机源论文; 相位调制论文;