第一篇：全光纖四態(tài)分離調(diào)制連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)解讀

全光纖四態(tài)分離調(diào)制連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)

【摘要】：現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)步入信息化時(shí)代,信息安全的重要性日漸凸顯。能夠保障信息安全的密碼學(xué)越來越受到人們的重視,其應(yīng)用已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域?；诹孔恿W(xué)基本原理的量子密鑰分發(fā)可以使合法通信雙方獲得一組的無條件安全的隨機(jī)密鑰,該密鑰可用于信息的加密與解密,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙方的保密通信,任何第三方的竊聽都可以被通信雙方察覺到。量子密鑰分發(fā)的無條件安全性,使得相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期,在未來的國防、金融、網(wǎng)絡(luò)和通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)利用光場的正交分量作為信息的載體,所需光源易于制備,探測效率高,同時(shí)和當(dāng)前的光通信網(wǎng)絡(luò)具有良好的兼容性,近年來受到極大關(guān)注,在理論和實(shí)驗(yàn)方面均得到了迅猛的發(fā)展。按照調(diào)制方式可將相干態(tài)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)分為高斯調(diào)制和非高斯調(diào)制方案,四態(tài)分離調(diào)制方案屬于非高斯調(diào)制方案,具有調(diào)制方法簡單、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)效率高等優(yōu)點(diǎn),理論上可以實(shí)現(xiàn)距離長達(dá)百公里以上的安全密鑰分發(fā)。本論文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對基于該方案搭建的全光纖連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)展開了研究。論文首先回顧了連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài),接下來對該領(lǐng)域內(nèi)的基礎(chǔ)理論知識進(jìn)行了介紹,并對基于平衡零拍探測的四態(tài)分離調(diào)制連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的無條件安全性進(jìn)行了分析。然后對適用于該領(lǐng)域的全光纖脈沖平衡零拍探測裝置的各種特性及相應(yīng)測量結(jié)果進(jìn)行了分析,最后介紹了基于全光纖器件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),目前已在該系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了距離為30km,安全密鑰速率為1kbits/s的量子密鑰分發(fā)。本論文的主要工作內(nèi)容包含以下三個(gè)方面。1.理論分析了基于平衡零拍探測的四態(tài)分離調(diào)制相干態(tài)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方案的兩種模型,它們是制備與測量模型和EPR糾纏模型。在制備與測量模型中介紹了所選方案的編碼規(guī)則,經(jīng)過編碼后雙方可獲得一組相關(guān)聯(lián)的二進(jìn)制數(shù)。在該模型下,形象地給出了信號光場以及額外噪聲在相空間中的演化過程。在EPR糾纏模型下對所選方案的無條件安全性進(jìn)行了分析。首先介紹了系統(tǒng)中的各種噪聲,將Alice端的源額外噪聲等效為Fred所擁有的量子態(tài),接著給出了Alice和Bob之間互信息量的計(jì)算方法,Bob采用了平衡零拍的探測方法。然后詳細(xì)地分析了Eve可獲得的信息量的上限Holevo邊界的計(jì)算過程。最后給出了安全密鑰速率及額外噪聲的計(jì)算方法。額外噪聲是決定密鑰分發(fā)的距離及安全密鑰速率大小的關(guān)鍵因素。兩種模型是等價(jià)的。在安全性的證明過程中,假設(shè)Eve擁有各種可能存在的先進(jìn)裝備,但是她的攻擊手段并不能違背量子力學(xué)原理而且無法獲得Bob端的裝置的信息。在Eve可以獲得Fred的量子態(tài)時(shí),Alice端的源額外噪聲與通道額外噪聲是等效的。2.設(shè)計(jì)并制作了適用于量子通信領(lǐng)域的全光纖時(shí)域脈沖平衡零拍探測裝置,該探測裝置的脈沖重復(fù)速率可達(dá)2MHz,增益為3.2μV/光子,共模抑制比為76dB,信噪比可達(dá)20dB以上,總的量子效率為66%。論文詳細(xì)分析了該探測裝置的工作原理和特性,包括共模抑制比、散粒噪聲極限和探測裝置的穩(wěn)定性。要獲得高的共模抑制比,不僅要選取兩個(gè)響應(yīng)特性盡量相同的光電二極管,而且要求兩光電二

極管產(chǎn)生的脈沖光電流強(qiáng)度相同,在時(shí)間上精確同步,上升和下降沿平緩。在散粒噪聲極限特性的測試中；通過測量輸出電脈沖峰值的相關(guān)系數(shù)驗(yàn)證了探測裝置具有良好的脈沖分辨率；對不同本地光功率下的真空散粒噪聲起伏進(jìn)行了測量,并繪制出了線性響應(yīng)曲線,驗(yàn)證了探測裝置具有良好的線性響應(yīng)特性；將探測裝置輸出的脈沖峰值采集并進(jìn)行快速傅里葉變換后,獲得了平坦的噪聲功率譜。經(jīng)分析利用探測裝置的線性響應(yīng)曲線可方便地計(jì)算出裝置整體的量子效率。為了獲得良好的穩(wěn)定性,在光路方面采用了基于耦合器尾纖的可變衰減器和穩(wěn)定的連接器等因素,在電路方面通過合理布線等各種方法使探測裝置具有較高的信噪比,且光電二極管兩端具有穩(wěn)定的偏置電壓,從而確保了兩光電二極管產(chǎn)生的光電流的強(qiáng)度和時(shí)間具有良好的穩(wěn)定性。經(jīng)分析具有較高信噪比的探測裝置可使用較低功率的本地光,從而減弱溫度,振動(dòng)等外界因素的干擾。采用阿倫方差的方法對探測裝置的穩(wěn)定性進(jìn)行了測量,其單次測量無校驗(yàn)窗口為100秒。3.設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了全光纖四態(tài)分離調(diào)制連續(xù)變量量子密鑰分發(fā),通信距離為30km,重復(fù)速率為500kHz,安全密鑰速率為1kbits/s。首先對該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,Alice按照協(xié)議對相干態(tài)進(jìn)行調(diào)制,被調(diào)制的相干態(tài)經(jīng)量子信道傳送給Bob,后者使用脈沖平衡零拍探測裝置對接收到的量子態(tài)光場進(jìn)行共軛正交分量的隨機(jī)測量。載有密鑰信息的相干態(tài)脈沖以數(shù)據(jù)幀的形式進(jìn)行發(fā)送,數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)塊是對相對相位進(jìn)行運(yùn)算并對其進(jìn)行鎖定的基本單元,實(shí)驗(yàn)中采用相位補(bǔ)償?shù)姆椒▽ο到y(tǒng)運(yùn)行過程中的相對相位進(jìn)行鎖定。為了獲得良好的鎖定精度,要求數(shù)據(jù)塊的時(shí)間要遠(yuǎn)小于相位自由運(yùn)轉(zhuǎn)的周期,且數(shù)據(jù)塊中用于相位鎖定的測試脈沖數(shù)要足夠多。為了確保數(shù)據(jù)幀的傳輸有穩(wěn)定的環(huán)境,論文重點(diǎn)分析了可變衰減器和三環(huán)偏振控制器的穩(wěn)定性。接下來對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)及結(jié)果進(jìn)行了分析,并給出了重要參數(shù)額外噪聲的測量與計(jì)算方法。通過對比三種不同光路下的相位鎖位鎖定情況,發(fā)現(xiàn)了影響相位鎖定精度的主要原因是用于時(shí)分復(fù)用的保偏光纖,并給出了由于相位鎖定誤差而引入的額外噪聲的估算方法。提出了本地光場對信號光場干擾的測量方法,并對其干擾進(jìn)行了測試。經(jīng)分析由于瑞利散射等原因,本地光場會(huì)對信號光場有一個(gè)幾十kHz以下的干擾,通過降低本地光的功率可有效地減小對信號光場的干擾。【關(guān)鍵詞】：連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)四態(tài)分離調(diào)制相干態(tài)平衡零拍探測額外噪聲 【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué) 【學(xué)位級別】：博士 【學(xué)位授予年份】：2013 【分類號】：O413.1;TN918.1 【目錄】：中文摘要10-13ABSTRACT13-17第一章緒論17-271.1引言17-181.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀18-251.2.1離散變量量子密鑰分發(fā)18-191.2.2連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)19-251.3論文主要內(nèi)容25-261.4主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)26-27第二章量子信息的基礎(chǔ)知識27-452.1光場的量子化27-292.1.1單模光場的經(jīng)典描述272.1.2單模光場的量子化27-282.1.3光子數(shù)態(tài)28-292.1.4光場的正交分量算符292.2量子測不準(zhǔn)原理292.3量子不可克隆定理29-302.4相干態(tài)30-332.4.1相干態(tài)的定義

302.4.2Fock空間中的相干態(tài)302.4.3相干態(tài)在相空間中的表示30-322.4.4相干態(tài)的過完備性32-332.5平衡零拍探測的原理33-352.6信息熵35-362.7馮諾依曼熵36-382.8RSA與一次一密38-422.8.1非對稱密碼體制RSA38-422.8.2對稱密碼體制一次一密422.9本章小結(jié)42-45第三章分離調(diào)制相干態(tài)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方案及安全性分析45-573.1四態(tài)分離調(diào)制方案45-493.1.1制備與測量模型45-473.1.2EPR糾纏模型47-493.2無條件安全性分析49-563.3本章小結(jié)56-57第四章全光纖時(shí)域脈沖平衡零拍探測裝置57-734.1時(shí)域脈沖平衡零拍探測器的分類57-614.1.1基于前置電荷放大器的探測器57-594.1.2基于前置電壓放大器或前置跨阻放大器的探測器59-614.2探測裝置的原理圖61-624.3探測裝置的共模抑制比特性62-664.4探測裝置的散粒噪聲極限性能66-694.5探測裝置的穩(wěn)定性69-714.6本章小結(jié)71-73第五章量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)73-855.1實(shí)驗(yàn)裝置及其運(yùn)行原理73-785.1.1Alice端裝置73-745.1.2Bob端裝置745.1.3系統(tǒng)的運(yùn)行74-785.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果78-805.3噪聲分析80-825.3.1相位噪聲80-815.3.2瑞利散射噪聲81-825.4本章小結(jié)82-85總結(jié)與展望85-87附錄各種情況下探測裝置的輸出波形87-91參考文獻(xiàn)91-97攻讀學(xué)位期間取得的研究成果97-99致謝99-101個(gè)人簡況及聯(lián)系方式101-105

本論文購買請聯(lián)系頁眉網(wǎng)站。

讀書的好處

1、行萬里路，讀萬卷書。

2、書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟。

3、讀書破萬卷，下筆如有神。

4、我所學(xué)到的任何有價(jià)值的知識都是由自學(xué)中得來的?！_(dá)爾文

5、少壯不努力，老大徒悲傷。

6、黑發(fā)不知勤學(xué)早，白首方悔讀書遲?！佌媲?/p>

7、寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。

8、讀書要三到：心到、眼到、口到

9、玉不琢、不成器，人不學(xué)、不知義。

10、一日無書，百事荒廢?！悏?/p>

11、書是人類進(jìn)步的階梯。

12、一日不讀口生，一日不寫手生。

13、我撲在書上，就像饑餓的人撲在面包上。——高爾基

14、書到用時(shí)方恨少、事非經(jīng)過不知難?！懹?/p>

15、讀一本好書，就如同和一個(gè)高尚的人在交談——歌德

16、讀一切好書，就是和許多高尚的人談話。——笛卡兒

17、學(xué)習(xí)永遠(yuǎn)不晚?！郀柣?/p>

18、少而好學(xué)，如日出之陽；壯而好學(xué)，如日中之光；志而好學(xué)，如炳燭之光?！?jiǎng)⑾?/p>

19、學(xué)而不思則惘，思而不學(xué)則殆。——孔子

20、讀書給人以快樂、給人以光彩、給人以才干?！喔?/p>