量子密钥分发系统中的光子统计

论文摘要

自从人类有了保密通信以来，怎样在通信中保密以及如何破译敌方的密码就是一对永恒的话题。保密通信不仅在军事、国防等领域发挥独特作用，而且在当今的经济和日常通信等方面也日渐重要。在经典的方案中，不论建立密钥的过程多么保密，原则上窃听者总可以窃取到这个密钥，而通信双方对此毫无察觉。这是因为密钥的建立过程总要利用某种载体的某种物理性质，而经典物理学指出，人们完全可以测量该载体的这些属性而不对其产生任何影响。故经典密码术的核心部分一密钥存在不安全因素。量子力学和密码学的结合一量子密码术，成功地解决了传统密码学中仅依靠数学无法完成的密钥保密传递问题。量子密码术潜在的巨大应用前景引起了全世界人们的广泛关注，量子密码也被称为改变人类未来的十大发明之一。 量子密钥分发的一个重要前提条件就是使用单个光子携带信息，单光子源的质量是关系到整个通信过程安全性的重要因素。目前大多数量子密钥分发实验所用的光源都是经过强烈衰减的弱光脉冲，这种光源存在着许多的多光子和空脉冲事件，因此严重降低了密钥分发系统的传输效率，增大了误码率。所以当前在理论和实验上寻找单光子源已经成为推动量子密钥分发进一步发展的重要课题之一。 本论文主要就自由空间量子密钥分发以及光子统计在自由空间量子密钥分发中的应用进行了理论分析和实验研究。基于偏振编码的B92协议在自由空间中进行了量子密钥分发的实验演示，研究了用于单光子探测的雪崩光电二极管的暂态发光特性，并且提出了基于外部光电开关的

论文目录

• 目录
• 摘要
• 第一章 引言
• 1.1 保密通信
• 1.1.1 经典保密通信
• 1.1.2 量子保密通信
• 1.2 量子密钥分发的安全性分析
• 1.2.1 单光子的不可分割性
• 1.2.2 量子不可克隆定理
• 1.2.3 海森堡测不准原理
• 1.3 量子密钥分发面临的难题
• 1.3.1 单光子源
• 1.3.2 量子通道
• 1.3.3 单光子探测器
• 1.4 单分子光子源的光子统计特性
• 1.4.1 二阶关联函数
• 1.4.2 单事件Mandel参数
• 1.5 本文主要研究的内容
• 参考文献
• 第二章 量子密钥分发的基本原理
• 2.1 量子密钥分发的基本协议
• 2.1.1 BB84协议
• 2.1.2 B92协议
• 2.1.3 E91协议
• 2.1.4 其他协议
• 2.2 量子密钥分发的编码方式
• 2.2.1 偏振编码
• 2.2.2 相位编码
• 2.3 量子密钥分发的密钥产生过程
• 2.3.1 数据筛选
• 2.3.2 数据纠错
• 2.3.3 保密加强
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 自由空间量子密钥分发的实验研究
• 3.1 偏振编码自由空间量子密钥分发的实验研究
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 随机源的制备及原始密钥提取
• 3.1.3 自由空间量子密钥分发的实验结果
• 3.2 量子比特误码率
• 3.3 雪崩光电二极管电致发光辐射特性的研究
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 APD的暂态特性
• 3.3.3 辐射光子的光谱分布
• 3.3.4 辐射光子的光子计数分布
• 3.4 基于外部光电开关的单光子同步探测
• 3.4.1 单光子探测器的暗计数和后脉冲测量
• 3.4.2 基于外部光电开关单光子同步探测的实验装置
• 3.4.3 同步门控信号的延迟时间及宽度设定
• 3.4.4 单光子同步探测用于减小量子比特误码率
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 室温单分子/聚合体光子源光子统计特性
• 4.1 室温单分子/聚合体光子源
• 4.1.1 三能级单分子光子源与HBT探测
• 4.1.2 实验装置
• 4.1.3 ON-OFF模型
• 4.2 单分子识别
• 4.2.1 二阶关联函数识别法
• 4.2.2 Mandel参数识别法
• 4.2.3 最大概率法
• 4.2.4 查表法
• 4.3 单分子光子源信号背景比测量
• 4.3.1 光子统计几率与SBR
• 4.3.2 结果分析与讨论
• 4.4 非理想HBT探测系统的单脉冲Mandel参数
• 4.4.1 非理想HBT探测系统
• 4.4.2 弱激光脉冲Mandel参数的修正
• 4.4.3 真实单光子源Mandel参数的修正
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 单光子源的光子计数光谱
• 5.1 光子计数光谱的信噪比
• 5.2 单分子光子源最佳信噪比分析
• 5.2.1 采样门宽度对于SNR的影响
• 5.2.2 最优采样门宽度的选择及讨论
• 5.3 波长调制技术用于光子计数光谱的理论分析
• 5.3.1 基本原理
• 5.3.2 高次谐波的数值分析
• 5.3.3 残余幅度噪声分析
• 5.4 波长调制技术用于光子计数光谱的实验研究
• 5.4.1 实验装置
• 5.4.2 最小可探测光子数与信噪比分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 博士期间完成的科研论文
• 博士期间参与的科研项目
• 致谢
• 承诺书