快瞬态电子学技术在量子通信和ICF实验中应用

摘要

快瞬态电子学是在对各种瞬态物理现象研究中发展起来的电子学技术，瞬态物理现象一般具有过程短、变化快等特点，通常的电子学技术已经不能满足这样的物理需求。快瞬态电子学针对的时间尺度一般在纳秒、亚纳秒量级，系统模拟带宽在1GHz以上。 本文对快瞬态电子学几个关键方面技术开展了研究，并将研究成果应用在了量子通信和惯性约束核聚变这两个物理研究的前沿领域。文章将快瞬态电子学的高速时间符合技术应用于自由空间量子通信数据获取系统中，在直线距离相距10公里的两个接收端之间实现了远程时间符合；通过Ⅱ型参量下转换实现了高亮度高品质的纠缠光源，通过良好的光路设计，纠缠源的亮度达到了国际先进水平；完成了数据获取系统、高亮度高品质纠缠源研制、自由空间远距离光传输系统等工作，并在此基础上完成了量子纠缠态远程分发、非类空间隔CHSH不等式破坏、类空间隔CHSH不等式破坏、量子密码远程分发四个具有重要意义的实验，获得了良好的实验结果，达到了国际领先水平。

目录

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第一章引言

1.1快瞬态电子学技术在当代物理实验中应用

§1.2量子信息

1.2.1量子计算

1.2.2保密通信与量子密码

1.2.3量子态隐形传输和量子通信

1.2.4国内外研究概况

§1.3基于纠缠光源的自由空间量子通信

§1.4惯性约束聚变(ICF)及其实验诊断

§1.5光电导探测器及其标定

§1.6ICF时间同步机

§1.7论文内容介绍

第二章量子信息与量子通信

§2.1量子信息初步

2.1.1 EPR佯谬与BELL不等式

2.1.2量子位与量子态不可克隆原理

2.1.3利用参量Ⅱ型下转换产生极化纠缠光子对

§2.2量子通信与量子密码

2.2.1保密通信与Vernam密码

2.2.2量子密码术与BB84方案

2.2.3弱相干光源与纠缠光源

2.2.4光纤量子通道和自由空间量子通道

第三章自由空间远程量子通信实验装置建立

§3.1总体方案

§3.2实验地点选择

§3.3通信波长选择与水平传输大气衰减

§3.4高斯光束

§3.5纠缠光源光路

§3.6望远镜系统

§3.7实验中的远程光路对准

§3.8大气闪烁成因以及对实验的影响

第四章自由空间远程量子通信数据获取系统

§4.1数据获取系统需求分析

§4.2电子学设计

4.2.1远程符合方案设计

4.2.2高速时钟和计数器

4.2.3时序控制

4.2.4数据采集和USB接口

4.2.5上位机软件设计

§4.3电子学测试结果

第五章自由空间远程量子通信实验结果与展望

§5.1实验结果

5.1.1纠缠态制备

5.1.2纠缠态远程分发

5.1.3非类空间隔CHSH不等式破坏

5.1.4类空间隔CHSH不等式破坏

5.1.5量子密码远程分发

§5.2总结与展望

第六章光电导探测器的灵敏度标定

§6.1物理背景和电子学系统概述

§6.2宽带放大器对系统指标的影响

6.2.1金刚石探测器输出信号估计与测量

6.2.2宽带放大器对系统性能的影响

§6.3宽带放大器设计

§6.4宽带放大器性能测量

§6.5软X射线探测器灵敏度标定结果

第七章ICF时间同步机

§7.1 ICF实验诊断对各数据获取系统的同步要求

§7.2亚高精度同步机原型设计

7.2.1需求分析与系统框图设计

7.2.2亚高速同步机延时电路实现

7.2.3亚高速同步机VXI接口

§7.3电子学性能测试

7.3.1亚高速同步机测试环境

7.3.2亚高速同步机测试结果

§7.4小结与展望

第八章总结和展望

§8.1基于纠缠光源的自由空间量子通信

§8.2光电导探测器的进一步标定实验

§8.3亚高精度ICF时间同步机

参考文献

致谢