本文關(guān)鍵詞：量子隨機(jī)數(shù)實驗研究

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【摘要】：量子力學(xué)與信息科學(xué)的結(jié)合,誕生了一個嶄新的學(xué)科—量子信息學(xué),主要包括量子計算與量子通信,其中量子通信提供了一個理論上無條件安全的通信方式,經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展,已經(jīng)到了實用化的階段。在量子通信系統(tǒng)的研發(fā)中,關(guān)鍵器件的研制起著至關(guān)重要的作用。事實上,當(dāng)前量子通信領(lǐng)域激烈的國際競爭已經(jīng)逐步演變成單光子探測與隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生等關(guān)鍵器件與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的競爭。在量子通信系統(tǒng)中,需要用到大量的隨機(jī)數(shù)序列,并且所用隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量直接關(guān)乎到整個系統(tǒng)的安全性。在隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生技術(shù)中,通過測量量子物理系統(tǒng)中內(nèi)秉的隨機(jī)特性產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(QRNG),輸出的隨機(jī)性是由量子力學(xué)基本原理所保證的,因此相比于其它隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生技術(shù)來說更具優(yōu)勢,自然地成為了量子通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件與關(guān)鍵技術(shù)。本論文作者在博士期間的主要工作是QRNG的實驗研究,主要集中在QRNG系統(tǒng)的實用化與現(xiàn)實條件下的安全性兩個方面。在實用化方面,先后發(fā)展了基于光子到達(dá)時間測量、激光相位波動測量等方案的高速量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生技術(shù),并研制了一個實時高速的QRNG模塊,為未來超高速量子通信系統(tǒng)的量子隨機(jī)數(shù)需求提供了可行的解決方案,推動了 QRNG的實用化進(jìn)程。在現(xiàn)實條件下量子隨機(jī)數(shù)的安全性方面,首次在實驗上實現(xiàn)了測量器件無關(guān)(MDI)的QRNG(MDI-QRNG),有效地解決了現(xiàn)實條件下測量器件不完美對量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生引起的最小熵估計錯誤以及由此帶來的安全隱患。本論文主要介紹了 QRNG相關(guān)的概念、原理、方案以及本論文作者在博士期間的QRNG實驗研究工作。在光子到達(dá)時間測量的QRNG實驗研究中,提出并實現(xiàn)了相對于外部固定參考的光子到達(dá)時間測量的QRNG方案,能夠輸出接近于理想均勻分布的原始隨機(jī)數(shù)據(jù),原始比特率達(dá)到了 109 Mbps。在激光相位波動測量的QRNG的實驗研究中,實驗實現(xiàn)了速率高達(dá)68 Gbps的QRNG,相比此前國際上最快的QRNG,速率提高了一個數(shù)量級。為了滿足干涉儀穩(wěn)定性的需求,主動反饋系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了干涉儀的相位穩(wěn)定控制。為了推動QRNG的實用化進(jìn)程,在實驗演示的基礎(chǔ)上研制出實時速率為3.2 Gbps的QRNG模塊,并首次在高速FPGA中實現(xiàn)了基于Toeplitz矩陣的實時高速的隨機(jī)性提取算法。在現(xiàn)實條件下QRNG系統(tǒng)的安全性方面的實驗研究中,首次實驗實現(xiàn)了一種基于時間相位編碼方案的MDI-QRNG,可以在不對測量器件進(jìn)行標(biāo)定甚至測量器件不可信的情況下輸出經(jīng)過認(rèn)證的量子隨機(jī)數(shù),最終比特率為5.7 Kbps。這種全部使用光纖器件實現(xiàn)的系統(tǒng)為構(gòu)建全集成式的實用化MDI-QRNG提供了一個有效途徑。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O413;TN918

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本文編號：1301142