连续变量量子密钥分发实验中的关键技术研究

摘要

以密码学和量子力学为基础、利用物理学方法实现的量子密码,由于其安全性与对窃听的可检测性,具有良好的安全性能和应用前景。连续变量量子密码利用高斯态(相干态和压缩态)作为信号载波,采用光场的正则振幅和正则相位作为信号载波的可观测物理量,通过振幅调制和相位调制把信号加载到量子载波上,在检测端采用平衡零差探测系统,相对于基于单光子技术的离散变量量子密码,设备简单,信道容量高。因此,连续变量量子密码的理论、实验研究有着重要意义。我们的研究致力于连续变量量子密码的理论研究和技术实现,已初步研制出基于连续变量的量子密钥分发系统,本文首先简要介绍了所研制的系统,而后详细探讨了连续变量量子密钥分发实验中的几项关键技术:1.高斯信源是连续变量量子保密通信中一个重要的组成部分,它与通信系统的效率、安全性等核心问题有着紧密的联系。利用Shannon信息理论模型,本文研究了高斯信源对量子通信信道容量、量子保密通信安全性等问题的影响,分析了这些重要参数对高斯信源参数的依赖性,并确定了量子保密通信系统的安全性条件。在此基础上提出了一种高斯调制的实验实现方案,利用FPGA成功实现了连续变量量子信号的高斯调制。2.相位调制器与振幅调制器是连续变量量子密钥分发中不可缺少的光调制器件。其驱动电路和性能监控电路是连续变量量子密钥分发实验的关键技术之一。本文首先从理论上对调制器的性能进行了分析,其次以量子安全通信系统的硬件为平台,设计了LiNbO3相位调制器的驱动电路和性能测试电路,同时给出了振幅调制器的性能监控电路,在实验上对方案的可行性与可靠性进行了验证。

目录

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 密码学简史

1.2 量子密码学概况

1.2.1 量子密码起源

1.2.2 量子密码实验进展

1.3 论文研究主要内容及章节安排

第二章 量子密码基础理论

2.1 量子力学基础知识

2.1.1 测不准原理

2.1.2 量子不可克隆定理

2.2 量子密钥分发协议

2.2.1 BB84 协议

2.2.2 B92 协议

2.2.3 EPR 协议

2.3 量子密钥分发的通信模型

2.4 连续变量量子密码通信

2.4.1 相干态量子光信号

2.4.2 压缩态量子光信号

2.4.3 连续变量量子密码通信基本原理

2.4.4 零差检测

2.5 本章小结

第三章 连续变量量子密钥分发实验系统

3.1 系统结构

3.2 系统工作流程

3.3 系统控制软件设计

3.4 本章小结

第四章 连续变量量子密钥分发中的高斯调制

4.1 引言

4.2 高斯调制对连续变量量子密钥分发性能的影响

4.2.1 模型抽象

4.2.2 过程分析

4.3 调制机制分析

4.4 技术实现

4.4.1 高斯信源的实验实现

4.4.2 高斯调制的硬件实现

4.5 本章小结

第五章 光调制器驱动设计和性能监控的实现

5.1 设计目的

5.2 电光调制器工作原理

5.3 相位调制器驱动电路设计

5.3.1 整体设计

5.3.2 调制器驱动板控制模块设计

5.4 相位调制器的性能测试

5.5 振幅调制器的性能监控系统

5.6 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间撰写的主要论文