在21世紀的今天,信息安全的重要性是毋庸置疑的,然而當前廣泛使用的經(jīng)典密碼學,其安全性正面臨著巨大的威脅。與安全性基于計算復雜度高的數(shù)論難題的經(jīng)典密碼學不同,量子密鑰分發(fā)（Quantum key distribution,QKD）能夠提供理論上無條件安全的密鑰傳輸,其安全性由量子力學的基本原理保證,任何竊聽行為都將因引入可觀測的錯誤而暴露。自從QKD的第一個協(xié)議BB84協(xié)議在1984年IEEE計算機科學技術(shù)大會上被提出以來,此后三十余年,QKD備受關注,無論是在理論上還是實驗上都得到了充足的發(fā)展機會。但現(xiàn)實與理論仍然存在巨大的鴻溝需要跨越。QKD實際系統(tǒng)由于各方面的不完美而不斷制約其實用化進程。本論文圍繞量子密鑰分發(fā)實用化這一主題,介紹了作者在博士期間的研究成果,主要包括實驗參數(shù)非對稱問題下的QKD方案及雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議（TF-QKD）的實驗研究。具體的,本文介紹了利用清華大學王向斌理論小組2016年提出的聯(lián)合考慮不同基矢制備測量結(jié)果的四強度誘騙態(tài)方案,設計并實現(xiàn)的第一個基矢探測效率非對稱情況下的高效BB84實驗,該實驗不僅實現(xiàn)了基矢探測效率非對稱情況下成碼率性能的大幅度提升,還剔... 

【文章來源】：中國科學技術(shù)大學安徽省211工程院校985工程院校

【文章頁數(shù)】：139 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖２．１?ＧＬＬＰ?ｗｉｔｈｏｕｔ?ｄｅｃｏｙ方案與ＧＬＬＰ?＋?Ａｓｙｍｔｏｔｉｃ?ｄｅｃｏｙ方案在成碼率及成碼距離上??的比較丨１３】??

。可以想見，當光脈沖寬度比探測器的有效門??寬大時，將會額外的引入損耗從而降低最終安全成碼率。結(jié)合多種因素，我們在??這里選擇１０?ＧＨｚ的布拉格光柵，并配合適量的色散補償光纖來抑制光脈沖在長??光纖中的色散效應。??ｗｒ．．?．?ＩｎｆＳａＡｓ?ＳＰＤ?ＰＤ??ｍ?－＝ｇ?＾??：爾〇卜｜寧??Ｉ?二■?？?＼?ｅｖｏａ?｜ｂｓ?趨??ｔ?▼??嚴ｗ?ｙ?ＦＢＧ?＿??Ａｌｉｃｅ?Ｂｏｂ??Ｌｏｎｇ?Ｄｉｓｔａｎｃｅ??Ｏｐｔｉｃａｌ?Ｆｉｂｅｒ??圖２．２實驗裝置圖ｌ１？ｌ？其中ＤＦＢ?Ｌａｓｅｒ：分布反饋激光器，Ａｔｔ：手動衰減器，ＢＳ：分束器，??ＰＢＳ：偏振分束器，ＥＶＯＡ：電可調(diào)光衰減器，ＣＩＲ：環(huán)形器，ＦＢＧ：布拉格光柵，ＤＷＤＭ：??密集波分多路復用器，ＳＯＡ：半導體光放大器，ＥＰＣ：電偏振控制器，ＰＤ：光電二極管??探測器，ＳＰＤ：單光子探測器。所有器件均為光纖器件。??此外，我們還需要將相隔很遠的Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ兩套系統(tǒng)同步起來，這里我??們采用的是同步光的同步方式。我們選用波長為１５７０?ｎｍ的同步光激光器，產(chǎn)??生１００?ｋＨｚ的同步光脈沖。為了節(jié)省光纖資源，我們選擇波分復用的方式，利用??１００?ＧＨｚ的密集波分復用器（ＤＷＤＭ）將同步光脈沖與信號光脈沖合束至同一??單模光纖中傳輸給Ｂｏｂ。在Ｂｏｂ端再利用中心波長相同的ＤＷＤＭ將同步光脈沖??與信號光脈沖分離開。??而當傳輸距離大于１００?ｋｍ時，我們需要利用一個半導體光纖放大器（ＳＯＡ）??對同步光進行放大后再使用光電二極管（ＰＤ）進行識別探測。在實驗中，我們??發(fā)現(xiàn)，同步光脈沖進入ＳＯＡ后會有少量光脈沖被反

?第２章標準量子密鑰分發(fā)協(xié)議實驗研究???意，若；＝?，該方案將與方案一完全相同。??方案三基矢探測效率非對稱條件下的新型四強度方案［１６］，即??得益于較高的系統(tǒng)頻率，計算一次安全成碼率需要發(fā)送ｉＶ個脈沖，而這僅??僅需要大約１６秒的時間。每一個距離、每一個方案我們重復進行３０次實驗并計??算成碼率的平均值和方差，作為最終的結(jié)果，如圖２．３。??表２．３理論優(yōu)化及實驗的參數(shù)。??■ｓ〇?Ａｒ?ｔｄ?ｅｄ?ａ?ｆ?ｅ?Ｎ??２．５０Ｘ１０－７?ｌ?％?５．００?ｘ?１０－７?１．５％?０．２?１．１４?１０－１０?１０１０??其中ｓｎ、Ａｒ與Ｇ分別為探測器暗計數(shù)率、后脈沖率、死時間（ｓ），?￣為光失調(diào)誤??差率，ａ表示量子信道傳輸損耗系數(shù)（ｄＢ／ｋｍ），／為糾錯效率，ｅ為安全系數(shù)，Ｗ??為總發(fā)送脈沖數(shù)。??我們的實驗主要分為兩個部分，具體實驗細節(jié)及測量數(shù)據(jù)可參考文獻［１７］：??（１）我們將探測效率分別設為＝?１０％，ｋ?＝?５％，即＝?２。光纖傳輸距??離分別為８７、１２６、１４１、１５０?ｋｍ。從實驗結(jié)果看，新型四強度方案成碼率較兩種??三強度方案有較大的提升。例如在８７?ｋｍ實驗中，四強度方案成碼率為３９?ｋｂｐｓ，??是方案一成碼率的３．０倍，是方案二成碼率的４．８倍。且四強度方案的最遠傳輸??距離為１５０?ｋｍ，是其余兩種方案均無法實現(xiàn)的。??（２）我們進一步提高效率失配程度至＝?１０，即＝?１０％，化＝１％。光??纖傳輸距離分別為６２、８７、１０７、１２６?ｋｍ。四強度方案的優(yōu)勢則更為明顯。比如??在光纖傳輸８７?ｋｍ條件下，四強度方案的成碼率為２０?ｋｂｐｓ，較三強度的兩種方??案分別提高３


本文編號：3618018