量子密钥分发与经典光通信融合的实验研究

摘要

量子密钥分发(QKD)基于量子力学原理具有无条件安全性。自从1984年被提出以来，QKD经历了快速的发展，从点对点实验到网络应用。由于QKD信号光强度十分弱，以往的实验中一般都需要一根专门的光纤用于量子信号传输。为了降低光纤资源成本，QKD与经典光通信的融合迫在眉睫。
　　本论文主要内容是研究QKD与经典光通信的波分复用，报道了本人参与和负责的一系列波分复用的实验实现。通过采用多级带阻滤波技术，我们对量子信道、同步信道和经典信道实现了足够高的隔离度，提出的波分复用方案实现了QKD与基于FP激光光源双向通信的融合，传输距离达到45km。通过波长选择和光谱与时域滤波，我们实现了共享一根光纤传输的QKD和Terabit/s经典相干光通信，光纤距离最远达到80km。我们的验证提供了QKD共享光纤主干链路的可行性，为拓展QKD的应用前进了一大步。通过适当降低经典光的发光功率，QKD可以融合到GPON网络中，实现的GPON用户数最多达到64，从而可以为普通用户以低成本提供高安全性的加密应用。
　　另外，本论文还报道了利用公钥算法为QKD提供认证的实验演示，我们通过FPGA逻辑构建了TCP/IP通信网口，用以在QKD系统和位于上位机的彩虹认证算法之间交互认证数据和认证结果。通过发展两个独立激光源的干涉技术和上转换单光子探测技术，我们完整验证了测量设备无关的QKD协议，它可以抵抗所有针对探测的攻击策略，经过50km光纤链路，我们的系统总共产生了25kbit安全密钥，这是基于实际器件实现无条件安全通信的里程碑。我们模拟和优化了非平衡基矢选择方案在我们的QKD系统上的成码率，相比于标准BB84方案，非平衡基矢方案可以显著提高安全成码率。为了验证这种方案，我们还构建了基于相位调制偏振编码的系统。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

第2章 QKD统及波分复用概述

2．1 BB84协议

2．1．1 偏振编码

2．1．2 相位编码

2．2 同步信道和经典信道

2．2．1 同步信道

2．2．2 经典信道

2．3 诱骗态协议

2．3．1 PNS攻击

2．3．2 诱骗态方法

2．4 波分复用概述

2．4．1 波分复用原理

2．4．2 波分复用常用器件

2．5 自发拉曼散射

第3章 基于FP光源波分复用的实验实现

3．1 基于FP光源的经典通信

3．2 实验方案

3．3 实验结果和分析

3．4 模拟在无源光网络中的应用

第4章 Terabit经典光通信波分复用的实验实现

4．1 主干链路经典光通信

4．2 1310 nm和1550．12 nm对比

4．2．1 拉曼噪声对比

4．2．2 成码率对比

4．3 1310 nm QKD系统设计

4．3．1 1310 nm波分复用和无源光器件

4．3．2 1310 nm光源调节

4．3．3 同步修正校准过程

4．4 实验装置分析

4．4．1 Terabit相干光通信

4．4．2 QKD系统参数

4．4．3 波分复用光路设计

4．5 实验结果和分析

4．5．1 4通道64-QAM编码的波分复用

4．5．2 32通道16-QAM编码的波分复用

第5章 GPON波分复用的实验实现

5．1 无源光网络

5．2 QKD波长稳定性

5．3 两种波分复用结构

5．4 实验结果分析

第6章 基于公钥算法身份认证的实验实现

6．1 中间人攻击

6．2 基于预置密钥的认证

6．3 基于公钥算法的认证

6．4 实验设计和结果

6．4．1 网络接口设计

6．4．2 基于FPGA的数据交互模块

6．4．3 实验结果和分析

第7章 博士期间其他工作

7．1 MDI QKD实验实现

7．1．1 针对探测的攻击

7．1．2 MDI QKD协议和编码方案

7．1．3 两个独立激光器的干涉

7．1．4 实验结果和分析

7．2 非平衡基矢QKD

7．2．1 非平衡基矢方案的模拟和优化

7．2．2 相位调制偏振编码系统

第8章 总结和展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间的研究成果