【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和全球通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的日益完善,人們對(duì)信息的獲得變得極為便捷。與此同時(shí),也給人們的生活帶來了困擾,信息化時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)通信安全問題也變得愈加突出。量子密碼學(xué)是密碼學(xué)和量子力學(xué)的結(jié)合,其獨(dú)特的優(yōu)勢受到了各國研究人員和政府的關(guān)注。它是以量子態(tài)作為編碼信息的載體,采用一次一密的密碼體制,使得合法通信雙方的信息具有無條件安全性。第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議(QKD)是由Bennett和Brassard聯(lián)合提出的,即BB84協(xié)議,之后量子密鑰分發(fā)協(xié)議成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一�，F(xiàn)階段離散變量量子密鑰分發(fā)(DVQKD)在理論和實(shí)驗(yàn)上得到了快速發(fā)展,目前以光纖作為量子信道的量子密鑰分發(fā)發(fā)展成熟。連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)是以量子化光頻電磁場的正交分量作為信息載體,采用平衡零拍(或差拍)探測方法的一種協(xié)議,具有測量設(shè)備高效、低成本、潛在密鑰率高、與現(xiàn)有的經(jīng)典光纖通信網(wǎng)絡(luò)相兼容等優(yōu)點(diǎn),受到了研究人員的廣泛關(guān)注。在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)協(xié)議中,可以用相干態(tài)、壓縮態(tài)、糾纏態(tài)等高斯態(tài)作為光源,其中糾纏態(tài)作為光源的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng),具有抗額外噪聲能力強(qiáng),系統(tǒng)性能優(yōu)的特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)長距離的糾纏態(tài)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā),制備光通信波段的高性能連續(xù)變量糾纏源是需要解決的關(guān)鍵因素之一。本論文主要從高緊湊度和高穩(wěn)定度的糾纏源制備和基于糾纏態(tài)的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兩個(gè)方面開展研究工作。本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.理論和實(shí)驗(yàn)分析了種子光從非簡并光學(xué)參量放大器(NOPA)腔的高反鏡注入和輸出耦合鏡注入兩種情況下,系統(tǒng)的經(jīng)典特性和量子特性,得到種子光從輸出耦合鏡注入時(shí)會(huì)讓系統(tǒng)更穩(wěn)定的結(jié)論。即使注入閑置光/信號(hào)光比例達(dá)0.7,仍然能輸出高糾纏度的下轉(zhuǎn)換光束,而無須考慮種子光與泵浦光相對(duì)相位的鎖定精度。為制備高度集成化和長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)變量糾纏源系統(tǒng)提供了一種有效的方案。2.通過提高NOPA腔的逃逸效率、光路的傳輸效率、光電探測器的量子效率、NOPA腔長和相對(duì)相位的鎖定精度,降低晶體熱效應(yīng)、探測器電子學(xué)噪聲等一系列措施,改進(jìn)和優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),將系統(tǒng)糾纏度從3.3dB提高到6dB。3.提出并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種高斯調(diào)制連續(xù)變量量子糾纏態(tài)方案。通過將信號(hào)種子光高斯調(diào)制后,注入到NOPA腔中進(jìn)行參量放大,從而制備出高斯調(diào)制連續(xù)變量量子糾纏態(tài)光場。與以往方案相比,該方案有效地簡化了高斯調(diào)制糾纏源裝置,為高斯調(diào)制糾纏態(tài)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)協(xié)議提供了一種簡單有效的裝置。4.研究了在以光纖信道的長距離CVQKD系統(tǒng)中,去極化導(dǎo)聲布里淵散射(GAWBS)產(chǎn)生額外噪聲的機(jī)制和抑制該噪聲的解決方案。由于去極化GAWBS,本地振蕩光會(huì)有部分光子泄露到信號(hào)光路中產(chǎn)生額外噪聲,詳細(xì)理論分析了該噪聲的頻譜分布和相應(yīng)的散射效率,并在實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證。為了有效抑制該噪聲,理論分析了時(shí)分復(fù)用方案中脈沖光的消光比下限。這一研究對(duì)于高速(GHz)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要參考意義。5.設(shè)計(jì)和搭建了糾纏態(tài)的長距離連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了基于光纖信道的50km量子密鑰分發(fā)。理論分析計(jì)算了混合EPR糾纏態(tài)在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全密鑰率,研究了該系統(tǒng)的額外噪聲來源,包括光纖傳輸中的GAWBS噪聲和相位鎖定精度引入的額外噪聲,保證了通信系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運(yùn)行。
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O413;TN918.4
【圖文】：

量子密碼學(xué)密碼學(xué)是研究如何保證信息安全的一門學(xué)科，它與信息論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)

不同比例閑置光/信號(hào)光注入對(duì)光學(xué)參量放大器制備連續(xù)變量糾纏態(tài)是從輸出耦合鏡注入，透射率為T ( T 1)，輸入輸2 (1/ 2 ) , ( 1, 2)j j j j T，0 為腔往返時(shí)間。假設(shè)系統(tǒng)為理想情況，輸出222 2 2/ / 2 4 / / Re[2 e / ], , jil j l j l j lj l

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