高維量子保密通信基礎(chǔ)技術(shù)研究.pdf

1、量子信息科學(xué)是一門利用量子力學(xué)來研究信息科學(xué)的學(xué)科。盡管量子信息有眾多子領(lǐng)域，其兩個主分支為量子計算和量子通信。量子計算需要利用量子疊加和糾纏等特性，通常被用來解決某一類問題。量子計算由量子計算機實現(xiàn)。盡管其優(yōu)勢并不是普適的，量子計算機在解決某些問題時甚至比最強大的超級計算機還要高效和迅速得多。量子通信的精髓在于把量子態(tài)從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方從而實現(xiàn)信息的傳遞。量子通信的基本動機是利用量子態(tài)編碼量子信息。量子信息能完成很多利用經(jīng)典信

2、息很難完成或者完成效率極低的任務(wù)。最好的例證就是量子密鑰分發(fā)(QKD)。量子通信包括很多子領(lǐng)域，如量子通信復(fù)雜度、量子擲幣、量子承諾和量子數(shù)字簽名等。在本論文中我們主要研究量子通信中最有實用化前景的量子技術(shù)——QKD及其相關(guān)的量子信息處理技術(shù)。
　　QKD是利用量子通信在通信參與方之間建立安全的密鑰分發(fā)系統(tǒng)的過程。通常參與者為兩方，分別被稱為Alice和Bob。任何第三方都不能獲取被分享密鑰的任何信息。這是由量子力學(xué)中的兩個基本性

3、質(zhì)保證的:海森堡不確定性原理和量子不可克隆定理。如果第三方(通常被稱為Eve)嘗試獲取密鑰信息，就會導(dǎo)致被傳輸?shù)牧孔討B(tài)發(fā)生改變。那么Alice和Bob就會發(fā)現(xiàn)第三方并終止密鑰分配過程。一旦分配過程被建立，被分配的密鑰就可以用于一次一密的加密過程，而一次一密的加密方法原理上是不能被破解的。因此，QKD也是原理上安全的。QKD是量子信息中第一個實現(xiàn)商業(yè)化的分支并且已經(jīng)形成了一個相對成熟的市場。然而，QKD依然有很多需要解決的問題，例如，如何

4、提高安全密鑰分配速率來滿足實際使用的需求？如何保證非完美設(shè)備構(gòu)成的實際QKD系統(tǒng)的安全性？
　　提高密鑰分配速率的基本思路是提高系統(tǒng)的通信頻率，如提高量子態(tài)的制備、調(diào)制和測量速率。另一個思路則是增加系統(tǒng)使用的量子態(tài)的維度。系統(tǒng)的實際安全性依賴于設(shè)備的具體使用形式。在修補漏洞前我們需要首先研究和理解設(shè)備的特性。QKD一般由三部分組成:a.隨機制備初始量子態(tài);b.調(diào)制量子態(tài)以實現(xiàn)信息的加載和提取;c.對量子態(tài)進(jìn)行投影測量。本論文的工作

5、聚焦于高維QKD的基礎(chǔ)技術(shù)研究，涉及全部三個部分，詳細(xì)內(nèi)容如下所示:
　　1.一個基于雪崩光電二極管(APD)的量子隨機數(shù)發(fā)生器(QRNG)的實現(xiàn)。QKD要求隨機的態(tài)制備和測量機選擇，這些過程需要消耗隨機數(shù)。確保使用真隨機數(shù)是QKD安全性的前提。QRNG的隨機性由物理源的量子效應(yīng)保證，是產(chǎn)生真隨機數(shù)的合適選擇。通過將von Neumann編碼方法推廣到高維情況，本論文中的QRNG抗環(huán)境擾動，不需要復(fù)雜的后處理過程，適合實際應(yīng)用場景

6、。
　　2.關(guān)于InGaAs/InP單光子雪崩光電探測器(SPAD)后脈沖的非馬爾科夫特性研究。第一次完成了SPAD后脈沖的非馬爾科夫特性的理論和實驗研究。其非馬爾科夫特性意味著后脈沖與雪崩歷史相關(guān)。由于后脈沖是高效、高速SPAD的一個主要限制，因此非馬爾科夫模型使得后脈沖機制更加清楚，對相關(guān)制造工藝具有指導(dǎo)意義。同時，該模型也為非完美器件條件下QKD的實際安全性評估提供了新的思路。
　　3.關(guān)于軌道角動量(OAM)光子態(tài)的

7、非破壞操縱研究。OAM自由度在高維量子信息處理中有很好的應(yīng)用前景，因為原則上OAM的量子數(shù)能達(dá)到無窮。但是，仍然有很多困難阻礙著OAM光子態(tài)的進(jìn)一步應(yīng)用。這些困難包括疊加態(tài)的高效制備和測量以及高維量子變換的有效實現(xiàn)。在本論文中，a.實現(xiàn)了一個改進(jìn)的高保真度單路Sagnac干涉儀，該干涉儀易于實現(xiàn)且能在無主動控制的情況下長時間穩(wěn)定運行，比原始Sagnac干涉儀提高了5％～10％。這些優(yōu)點表明該干涉儀可適用于量子通信。b.基于a中改進(jìn)型Sa