【摘要】：連續(xù)變量量子密鑰分配是一種新的量子通信技術(shù),相比于離散變量量子密鑰分配,其具有成本低、不需要單光子源、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。但若采用流行的M-Z干涉儀構(gòu)建傳輸光路,信號(hào)光路和本振光路往往難以同步,需要采用較復(fù)雜的算法和壓電器來(lái)補(bǔ)償。由于壓電器存在遲滯和蠕變性,算法存在置后性,因此,將導(dǎo)致連續(xù)變量量子密鑰分配速度慢、過(guò)程復(fù)雜等缺點(diǎn)。本課題采用單空間模連續(xù)變量相干光通信的實(shí)驗(yàn)方案,用Stokes參量作為操作量,信號(hào)光與本振光在同一束光中傳輸,同步性強(qiáng),提高了通信的穩(wěn)定性。本文主要內(nèi)容如下：首先,以Stokes參量作為可操作量構(gòu)建單空間模連續(xù)變量相干光通信系統(tǒng),分析各部分光路結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)介紹LiNbO3晶體的電光效應(yīng),SU(2)結(jié)構(gòu)的編碼與解碼原理。通過(guò)MATLAB仿真確定驅(qū)動(dòng)電源的電壓范圍,為硬件驅(qū)動(dòng)及控制電路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過(guò)USB傳送系統(tǒng)將編碼數(shù)據(jù)給PC,解碼后的偏振光由零差檢測(cè)和電信號(hào)采集傳送給PC。通過(guò)二次采樣、濾波、提取等操作,實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的后處理和誤碼分析。其次,設(shè)計(jì)了ARM+DSP硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng),ARM作為主控部分,利用其片上外設(shè)SPI口完成與DSP通信及與驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。利用Cortex M3內(nèi)核完成快速中斷響應(yīng)及協(xié)調(diào)事務(wù)功能。發(fā)揮DSP的強(qiáng)大計(jì)算能力,執(zhí)行禁忌算法,尋找電壓值的最優(yōu)解,從而能減輕了硬件電路和晶體的負(fù)載,提高了分發(fā)速率。根據(jù)硬件電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),采用搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),由ARM內(nèi)部的SysTick定時(shí)器實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)中的時(shí)鐘節(jié)拍以高精度速率運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)多任務(wù)快速切換。根據(jù)系統(tǒng)中消息隊(duì)列功能,在DSP和ARM中建立編碼和電壓的環(huán)型隊(duì)列存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),解決算法時(shí)間不確定帶來(lái)的非周期性存儲(chǔ)障礙。最后根據(jù)設(shè)計(jì)的方案,在光學(xué)平臺(tái)上搭建硬件環(huán)境,在不同光強(qiáng)下,測(cè)量隨機(jī)偏振態(tài)。由LabVIEW軟件對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,先是濾波除去噪聲,再由設(shè)計(jì)的“動(dòng)態(tài)窗口”解決激光漂移問(wèn)題。通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)可知,所設(shè)計(jì)的ARM+DSP硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量基的隨機(jī)選擇,測(cè)量穩(wěn)定性好、操作容易的特點(diǎn),達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),可用于連續(xù)變量量子密鑰分配。
[Abstract]:Continuous variable quantum key distribution is a new quantum communication technology. Compared with discrete variable quantum key distribution, it has the advantages of low cost, no need of single photon source and easy operation. However, if the popular M-Z interferometer is used to construct the transmission optical path, it is difficult to synchronize the signal optical path and the local oscillator optical path, so it is necessary to use a more complex algorithm and voltage apparatus to compensate. Because of the hysteresis and creep of the piezoelectric apparatus and the postposition of the algorithm, the quantum key distribution speed of continuous variables will be slow and the process will be complicated. In this paper, the experiment scheme of single space mode continuous variable coherent optical communication is adopted, and the Stokes parameter is used as the operating quantity. The signal light and the local oscillator light are transmitted in the same beam, and the synchronization is strong, and the communication stability is improved. The main contents of this paper are as follows: firstly, the coherent optical communication system with single space mode continuous variable is constructed using Stokes parameters as operable variables, and various optical circuit structures are analyzed. The encoding and decoding principle of Su (2) structure of LiNbO3 crystal is introduced in detail. The voltage range of the driving power supply is determined by MATLAB simulation, which provides the basis for the design of the hardware drive and control circuit. The encoded data is transmitted to PCs by USB transmission system, and the decoded polarized light is transmitted to PCs by homodyne detection and electrical signal acquisition. Through secondary sampling, filtering, extraction and other operations, the communication signal post-processing and error analysis. Secondly, the ARM DSP hardware development system, arm, is designed as the main control part. The communication with DSP and the data transmission with the driving power supply are accomplished by using the SPI port on the chip. The Cortex M 3 kernel is used to complete the function of fast interrupt response and transaction coordination. By using the powerful computing power of DSP, the Tabu algorithm is executed to find the optimal solution of the voltage value, which can reduce the load of the hardware circuit and crystal and improve the distribution rate. According to the characteristics of the hardware circuit structure, the preemptive multitask real-time operating system is adopted. The clock beat in the operating system runs at a high precision rate by the SysTick timer inside the ARM, and the multi-task fast switching is realized. According to the message queue function in the system, the ring queue storage structure of coding and voltage is established in DSP and ARM, which solves the aperiodic storage obstacle caused by the uncertainty of algorithm time. Finally, according to the designed scheme, the hardware environment is built on the optical platform, and the random polarization states are measured under different light intensities. The transmission and receiving data are analyzed by LabVIEW software. Firstly, the noise is removed by filtering, then the problem of laser drift is solved by the designed "dynamic window". By analyzing the measurement data, we can see that the ARM DSP hardware development system designed can realize the random selection of measurement bases, good stability of measurement, easy operation, achieve the design goal, and can be used for quantum key distribution of continuous variables.
【學(xué)位授予單位】：福州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN929.1

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本文編號(hào)：2143897