基于纠缠态的长距离连续变量量子密钥分发

发布时间：2020-06-19 16:37

【摘要】：随着科学技术的迅猛发展和全球通信网络系统的日益完善,人们对信息的获得变得极为便捷。与此同时,也给人们的生活带来了困扰,信息化时代的网络通信安全问题也变得愈加突出。量子密码学是密码学和量子力学的结合,其独特的优势受到了各国研究人员和政府的关注。它是以量子态作为编码信息的载体,采用一次一密的密码体制,使得合法通信双方的信息具有无条件安全性。第一个量子密钥分发协议(QKD)是由Bennett和Brassard联合提出的,即BB84协议,之后量子密钥分发协议成为世界范围内的研究热点之一。现阶段离散变量量子密钥分发(DVQKD)在理论和实验上得到了快速发展,目前以光纤作为量子信道的量子密钥分发发展成熟。连续变量量子密钥分发是以量子化光频电磁场的正交分量作为信息载体,采用平衡零拍(或差拍)探测方法的一种协议,具有测量设备高效、低成本、潜在密钥率高、与现有的经典光纤通信网络相兼容等优点,受到了研究人员的广泛关注。在连续变量量子密钥分发协议中,可以用相干态、压缩态、纠缠态等高斯态作为光源,其中纠缠态作为光源的量子密钥分发系统,具有抗额外噪声能力强,系统性能优的特点。为了实现长距离的纠缠态连续变量量子密钥分发,制备光通信波段的高性能连续变量纠缠源是需要解决的关键因素之一。本论文主要从高紧凑度和高稳定度的纠缠源制备和基于纠缠态的连续变量量子密钥分发实验系统两个方面开展研究工作。本论文的主要研究内容和创新点如下:1.理论和实验分析了种子光从非简并光学参量放大器(NOPA)腔的高反镜注入和输出耦合镜注入两种情况下,系统的经典特性和量子特性,得到种子光从输出耦合镜注入时会让系统更稳定的结论。即使注入闲置光/信号光比例达0.7,仍然能输出高纠缠度的下转换光束,而无须考虑种子光与泵浦光相对相位的锁定精度。为制备高度集成化和长期稳定运转的连续变量纠缠源系统提供了一种有效的方案。2.通过提高NOPA腔的逃逸效率、光路的传输效率、光电探测器的量子效率、NOPA腔长和相对相位的锁定精度,降低晶体热效应、探测器电子学噪声等一系列措施,改进和优化了实验系统,将系统纠缠度从3.3dB提高到6dB。3.提出并在实验上实现了一种高斯调制连续变量量子纠缠态方案。通过将信号种子光高斯调制后,注入到NOPA腔中进行参量放大,从而制备出高斯调制连续变量量子纠缠态光场。与以往方案相比,该方案有效地简化了高斯调制纠缠源装置,为高斯调制纠缠态连续变量量子密钥分发协议提供了一种简单有效的装置。4.研究了在以光纤信道的长距离CVQKD系统中,去极化导声布里渊散射(GAWBS)产生额外噪声的机制和抑制该噪声的解决方案。由于去极化GAWBS,本地振荡光会有部分光子泄露到信号光路中产生额外噪声,详细理论分析了该噪声的频谱分布和相应的散射效率,并在实验上得到了验证。为了有效抑制该噪声,理论分析了时分复用方案中脉冲光的消光比下限。这一研究对于高速(GHz)连续变量量子密钥分发系统的设计具有重要参考意义。5.设计和搭建了纠缠态的长距离连续变量量子密钥分发系统,实现了基于光纤信道的50km量子密钥分发。理论分析计算了混合EPR纠缠态在连续变量量子密钥分发系统的安全密钥率,研究了该系统的额外噪声来源,包括光纤传输中的GAWBS噪声和相位锁定精度引入的额外噪声,保证了通信系统可以长期稳定运行。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413;TN918.4
【图文】：

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