發(fā)布時間：2021-07-30 10:08

　　隨著量子技術(shù)的不斷突破,給現(xiàn)有的公鑰密碼體制帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對量子計算時代信息安全面臨的挑戰(zhàn),量子通信成為了當(dāng)前的研究熱點。同時量子通信也是量子信息學(xué)科的重要研究分支,包含量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)等,在分布式量子計算和信息安全領(lǐng)域具有重要的作用。其中研究較為成熟的是量子密鑰分發(fā)（Quantum key distribution,QKD）技術(shù)。自上個世紀(jì)80年代首個QKD協(xié)議（BB84協(xié)議）提出以來,這個領(lǐng)域得到了持續(xù)快速發(fā)展,我國在該領(lǐng)域的研究當(dāng)前處于領(lǐng)先地位。例如我國自主研究建成的“量子京滬干線”為光纖量子組網(wǎng)指明了方向,同時也是誘騙態(tài)QKD方案較為成功的應(yīng)用之一;同時以我國研制的墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星為可信中繼的星地量子通信實驗實現(xiàn)了洲際量子通信,是未來量子通信網(wǎng)絡(luò)較有前景的構(gòu)建載體之一�，F(xiàn)有的量子通信系統(tǒng)主要基于自由空間和全光纖量子光學(xué)器件搭建的,體積大,穩(wěn)定性有待提高,對環(huán)境有著極高的要求,在實際應(yīng)用中具有諸多限制;其次,在電路控制方面要對各個分立器件進(jìn)行獨立的操作,很難實現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)和組裝,且容易造成系統(tǒng)信息測漏;再次,QKD系統(tǒng)特別是星載QKD系統(tǒng)對應(yīng)用器件... 

【文章來源】：國防科技大學(xué)湖南省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：108 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

基于光纖的量子通信系統(tǒng)

國防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文第2頁和艦載通信系統(tǒng)的實際需求，對實驗裝置的體積、載荷等有嚴(yán)格的要求。以光纖和自由空間為基礎(chǔ)的量子通信系統(tǒng)裝配在宇宙飛船以及軍艦上時，會加重載荷壓力，嚴(yán)重影響空間的利用。量子安全成碼率(quantumsecurityrate)[20-22]是衡量量子通信系統(tǒng)安全與否的關(guān)鍵參數(shù)。為了進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的成碼率，可以將原來系統(tǒng)的二維Hilbert空間擴(kuò)展為多維空間，這樣不但可以提高密碼生成速率，同時可以提供更有效的密鑰成碼率的估算方法，降低單純依靠一個自由度的量子誤碼率(quantumbiterrorrate,QBER)[23-27]進(jìn)行信息熵計算帶來的誤差。這就需要尺寸更小，操作更靈活的平臺進(jìn)行研究。集成光路以其器件尺寸孝集成度高、制備工藝簡單和抗干擾能力強的特點[28-35]，成為了新一代量子通信系統(tǒng)的研究平臺。當(dāng)前基于光纖的量子通信實驗系統(tǒng)，如圖1.1所示[36]。而相應(yīng)的芯片集成量子通信系統(tǒng)，如圖1.2所示[37]。芯片集成量子通信系統(tǒng)所用的波導(dǎo)光學(xué)元件在微米量級，整個操控芯片只有硬幣大小，通過將該結(jié)構(gòu)級聯(lián)可以實現(xiàn)多光子糾纏。相對于傳統(tǒng)的量子光學(xué)實驗系統(tǒng)，芯片集成系統(tǒng)，尺寸孝系統(tǒng)穩(wěn)定性高、成本低、適用于復(fù)雜動態(tài)節(jié)點之間的安全通信。圖1.1基于光纖的量子通信系統(tǒng)。圖1.2量子態(tài)操控芯片。芯片平臺作為新的量子通信系統(tǒng)實驗平臺被提出，得益于集成光路的發(fā)展，微納加工技術(shù)的日益成熟，以及種類繁多的材料芯片平臺，如:Si,LiNbO3,InP平臺等[38-40]。與此同時光電混合技術(shù)取得了很大的突破，這為芯片上的位相調(diào)制提

國防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文第3頁供了有力的條件。圖1.3為Inter公司設(shè)計的一種光電混合集成的芯片。該芯片和CMOS工藝兼容，可以用集成電路對芯片進(jìn)行調(diào)控。并且在未來可以實現(xiàn)由光源到探測一體化的芯片，為全芯片集成量子通信系統(tǒng)的實驗指明了方向[41]。圖1.3光互聯(lián)芯片。1.2芯片集成量子通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀2008年布里斯托大學(xué)的AlbertoPoliti提出集成光路具有自身的復(fù)雜性、魯棒性和穩(wěn)定性。并且在SOI芯片上實現(xiàn)了光量子環(huán)路的操作，測得上光子干涉系統(tǒng)的干涉度為94.8%，控制與非門的量子保真度>92%。這些結(jié)果表明可以將復(fù)雜的光量子光路直接寫入硅基芯片上[42]。由此量子通信系統(tǒng)的集成研究由基于光纖和自由空間光學(xué)器件的實現(xiàn)方案拓展到芯片集成。2016年，JianweiWang等人實現(xiàn)了芯片到芯片（Chip-to-Chip）的QKD實驗[43]，如圖1.4所示，采用硅基光子集成技術(shù)，利用光柵耦合器等微納光電子器件在芯片上實現(xiàn)量子糾纏分發(fā)，獲得Bell不等式的背離值(Bell-typeviolation)為S=2.638±0.039。圖1.4硅基光子集成量子糾纏和互連芯片。2017年P(guān).Sibson等人[44]，實現(xiàn)了BB84、CoherentOneWay（COW）[45-46]和

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Polarization-independent grating coupler based on silicon-on-insulator[J]. 張晶晶,楊俊波,路環(huán)宇,吳聞軍,黃杰,常勝利.  Chinese Optics Letters. 2015(09)
[2]硅基微納光電子系統(tǒng)中光源的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 周治平,王興軍,馮俊波,王冰.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2009(10)
[3]硅基集成光電子器件的新進(jìn)展[J]. 周治平,郜定山,汪毅,陳金林,馮俊波.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2007(02)
[4]支撐光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的光子集成器件研發(fā)與趨勢[J]. 王啟明.  深圳大學(xué)學(xué)報. 2004(03)
[5]面向產(chǎn)業(yè)需求的21世紀(jì)微電子技術(shù)的發(fā)展（上）[J]. 王陽元,黃如,劉曉彥,張興.  物理. 2004(06)

博士論文
[1]星地量子保密通信安全密鑰提取關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 劉博.國防科技大學(xué) 2018
[2]硅基波導(dǎo)四波混頻效應(yīng)及應(yīng)用研究[D]. 郭凱.國防科技大學(xué) 2018
[3]連續(xù)變量量子密碼安全性研究[D]. 馬祥春.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2015
[4]量子保密通信關(guān)鍵器件研制及攻防研究[D]. 江木生.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2015
[5]基于實際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的攻防研究[D]. 孫仕海.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2012
[6]SOI-MMI光波導(dǎo)器件與光開關(guān)研究[D]. 賈曉玲.中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所） 2005

碩士論文
[1]硅基光柵耦合器和波導(dǎo)分束器的研究[D]. 周闊.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2013



本文編號：3311211