基于量子密钥光源与探测的部分参数优化与器件模拟

论文摘要

量子密钥分发系统是利用量子力学的基本原理来产生和发布密钥,以解决经典密码学在密钥分发方面存在的无法克服的缺陷,从而保证密钥在发布过程中的绝对安全,进而实现通信双方所交换信息的绝密。量子密钥分发的理论、实验研究是当前非常热门的量子信息研究领域中的一个重要部分。 本文首先介绍了量子密钥产生的历史背景、量子密钥分发系统的关键技术、理论的发展、实验的实现及其进展。 理想单光子源是量子密钥分配系统的关键技术,而目前用于量子密钥分配的单光子都是激光器输出经过精密控制的强衰减技术得到的,平均光子数却能影响单光子出现的概率,因此就有必要对最佳平均光子数进行研究。在规定的系统及合理的假设前提下,所谓最佳平均光子数（μ）就是能使净化密钥传送速率最大化的发送脉冲所含的平均光子数。在对窃听者的能力作出正确的评估之后,利用窃听及防护模型,并考虑使用修正后的净化密钥生成速率公式来研究最佳平均光子数。计算模拟结果表明,μ=1.15提供了大约10倍于μ=0.1的系统净化信息互换量,却不会对系统的安全性带来任何不利的影响。 单光子探测器性能的好坏直接影响了量子保密通信系统的质量和有效传输距离。如何选好探测器以及怎样对探测器进行评价,就成为了关键因素,所以本文提出,可以利用计算机模拟的方法对APD器件进行研究,即在适当的假设前提下,依据经验公式并借助于MATLAB的矩阵运算功能计算吸收渐变电荷倍增分离型雪崩光电二极管（SAGCM-APD）的电场分布,然后以此得出电子、空穴倍增系数,最后再利用这些系数及传递函数计算出SAGCM-APD的增益—电压特性及频率响应特性,模拟的结果较好地与实验结果一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 经典保密通信
• 1.2 量子保密通信
• 1.3 量子密钥分配系统的关键技术
• 1.3.1 单光子源
• 1.3.2 APD单光子探测器
• 1.3.3 量子码的传输
• 1.3.3.1 量子码的传输方式
• 1.3.3.2 量子码的传输协议
• 1.3.3.3 量子码传输过程
• 1.4 量子密钥分配基于的量子效应和基本原理
• 1.5 量子密码理论发展
• 1.6 本文所做的工作
• 第二章 最佳平均光子数
• 2.1 单光子源
• 2.2 最佳平均光子数
• 2.3 Eve的窃听方式
• 2.4 构建窃听及防护模型
• 2.5 模型参数及计算
• 2.6 讨论
• 第三章 SAGCM-APD模拟分析
• 3.1 雪崩光电二极管（APD）的技术发展
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 APD的芯片结构
• 3.2 APD单光子探测器的重要特性参数
• 3.2.1 碰撞电离系数
• 3.2.2 量子效率η和响应度R
• 3.2.3 雪崩倍增因子M
• 3.2.4 暗计数与暗电流
• 3.3 APD模拟背景
• 3.4 MATLAB语言在通信仿真中的应用
• 3.5 电场分布的计算
• 3.6 APD传递函数的实现及其频率响应
• 3.7 小结
• 结论
• 发表的学术论文
• 独创性声明
• 致谢
• 主要参考文献