量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中若干電子學模塊的設(shè)計.pdf

1、信息作為一種資源，它的普遍性、共享性、增值性、可處理性和多效用性，使其對于人類具有特別重要的意義。信息安全是任何國家、政府、部門、行業(yè)都必須十分重視的問題，是一個不容忽視的國家安全戰(zhàn)略。而基于量子力學和當代信息學的量子密鑰分發(fā)理論則是保障信息安全的最有力手段。量子密鑰分發(fā)理論基于量子力學基本定理中的Heisenberg 不確定原理和量子不可克隆定理。量子力學的基本定理在物理層面上保障了量子密碼的無條件安全性，這種安全性能夠經(jīng)得起包括量子

2、計算機在內(nèi)的任何攻擊。鑒于量子密鑰分發(fā)理論的重要性和遠大前景，各國都十分重視對于量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)。從Bennett和Brassard 于1984年提出首個量子密鑰分發(fā)協(xié)議----BB84協(xié)議起，量子密鑰分發(fā)理論經(jīng)過無數(shù)國家、實驗室以及通信巨頭的數(shù)十年的修改和完善逐漸已經(jīng)走向?qū)嵱没?。我們國家同樣十分重視量子密鑰分發(fā)理論的研究，目前中國科學技術(shù)大學量子物理與量子信息實驗室已經(jīng)率先實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的實用化，正在建設(shè)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)

3、。
　　 本文介紹了中國科學技術(shù)大學量子物理與量子信息實驗室研制的基于誘騙態(tài)編碼的量子密鑰分發(fā)的系統(tǒng)中，同步延遲插件和直流高壓插件以及在長距離量子密鑰分發(fā)實驗中高速單光子源的設(shè)計與實現(xiàn)。量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)總體上分為發(fā)送方（Alice），接收方（Bob）。發(fā)送方把量子態(tài)信息通過光纖傳送給接收方，接收方用單光子探測器來接收。為了使單光子探測的暗計數(shù)維持在一個低的水平，探測器采用門控的模式運行，即僅在光子到來的時候打開一個時間―門‖進行

4、計數(shù)。這個門寬可以由探測器設(shè)定的，在實驗中要求越小越好。光子到來的時刻是和同步信號相關(guān)聯(lián)的，但經(jīng)過一段距離的光纖傳播后，它們之間的相位關(guān)系可能發(fā)生改變。因此，在接收方需要一個可以及時調(diào)節(jié)延時電路來調(diào)整這個相位關(guān)系，使得探測器能夠準確得到光子計數(shù)。設(shè)計的最終方案采用粗延遲加細延遲的組合方式，由一個單片機來控制粗細延遲的延遲量，通過掃描的方式來確定合適延遲值。量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)采用的是偏振編碼，控制偏振編碼主要依靠偏振調(diào)制器。偏振調(diào)制器工作是

5、需要在其兩端加幾十伏特的高直流電壓。由于環(huán)境的干擾，這個電壓不會是一個固定的值。因此控制偏振調(diào)制器必須依靠一個可控的直流高壓模塊，這個可控直流高壓模塊是依靠一個單獨的插件完成的。設(shè)計方案是采用一個單片機來控制DAC，DAC 輸出的電壓經(jīng)過直流放大后送給偏振控制器。隨著量子密鑰分配技術(shù)的高速發(fā)展，量子密鑰分配系統(tǒng)往高速，遠距離以及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。為此我們開展了一個高速，遠距離量子密鑰分發(fā)的實驗。我們?yōu)榇嗽O(shè)計了一個具有520M 重復頻率的單