在經(jīng)典密碼學中,一次一密方法可以實現(xiàn)信息理論上的安全通信。一次一密方法中密鑰只使用一次。為了保證相距較遠的通信雙方持續(xù)的進行通信,就需要實時獲取密鑰,這也就引入了安全密鑰分發(fā)的問題。量子密鑰分發(fā)是量子力學與經(jīng)典密碼學交叉的一個領(lǐng)域。借助于量子力學中量子不可克隆定理和量子疊加原理,量子密鑰分發(fā)可為通信雙方提供理論上無條件安全的密鑰。近些年來量子密鑰分發(fā)不斷朝著遠距離和高安全成碼率前進,并正在朝著全球量子通信網(wǎng)絡(luò)前進�！澳�子”號衛(wèi)星的一些實驗結(jié)果已經(jīng)驗證了基于星地量子網(wǎng)絡(luò)的可行性,為全球量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。星地量子密鑰分發(fā)是借助于量子衛(wèi)星作為終端,給地面相距較遠的通信雙方發(fā)送安全密鑰。為了滿足多種運用的需求,這就需要高速實時量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。在星地量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中,限制安全成碼率的主要因素是量子光源重復(fù)頻率和系統(tǒng)衰減,在光學及系統(tǒng)鏈路不變的條件下,提高量子光源的重復(fù)頻率可以有效提高系統(tǒng)安全成碼率。本論文主要是實現(xiàn)面向星地高速實時量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。圍繞這一目標,研究了一些關(guān)鍵性的技術(shù),并成功運用于實際系統(tǒng)中。本論文主要包括以下4個方面的內(nèi)容。首先,對增益開關(guān)半導(dǎo)體激光器方法產(chǎn)生的光脈沖的強度晃動進行了研究,通過采用外部激光注入方法減小了光脈沖的強度晃動。理論分析與仿真結(jié)果表明,在大信道衰減下,光脈沖強度晃動對系統(tǒng)安全成碼率有較大的影響,外部激光注入方法有效的提升了大信道衰減情況下系統(tǒng)安全成碼率�？紤]典型的QKD系統(tǒng)參數(shù),在40dB衰減的情況下,當光脈沖的相對強度晃動從1.59%減小為1.15%時,系統(tǒng)的安全成碼率提升了 51.89%。其次,針對高速量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中多通道高速信號相位鎖定問題進行了研究,采用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換TDC和相位內(nèi)插PI方法閉環(huán)鎖定多個高速串行收發(fā)器信號之間的相位,并且多路信號之間的延時在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。TDC是基于Kintex Ultrascale 040 FPGA內(nèi)部的進位鏈,時間分辨率為10.2 ps,測量精度為18 ps,通過多次測量進一步提高時間測量精度。最終控制多個高速串行收發(fā)器輸出信號相位鎖定在14.7ps的峰峰值和2.5 ps RMS。多通道高速信號相位鎖定在量子光源時間一致性方面及一些大型核物理系統(tǒng)時間同步方面有著重要的運用。再次,針對高速量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中收發(fā)兩端高精度同步方式進行了研究。在實時量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中,需要激光通信來支持經(jīng)典數(shù)據(jù)的實時交互。區(qū)別于以前的同步光方案,本論文采用已有的激光通信信道進行同步信號的傳遞。通過采用低抖動CDR方式實現(xiàn)收發(fā)兩端高精度的相位鎖定,同步精度半高寬為30ps。另外通過分析光探測前端APD、跨阻放大器及限幅放大器的定時甄別原理,實現(xiàn)了對光功率變化不敏感的高精度時間同步。實測結(jié)果表明,當接收光功率從-41.4 dBm變化到-23.8 dBrm時,收發(fā)兩端同步信號絕對位置偏移70ps。在實現(xiàn)高精度同步的同時,光通信系統(tǒng)的接收靈敏度依然可以達到-41.4 dBm。最后,本論文進行了高速實時量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的研制,包括量子光源、激光通信、密鑰后處理等各個模塊。本論文主要對發(fā)射端量子光源模塊及光通信模塊進行設(shè)計。配合密鑰后處理實現(xiàn)高速實時量子密鑰分發(fā)。考慮實際星地鏈路系統(tǒng)衰減在-47.5dB～-38.5dB,我們采用桌面實驗?zāi)�擬此衰減并測試該高速實時量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的性能。當系統(tǒng)衰減在-47.5dB到-38.5dB,信號態(tài)誤碼率為1.9%到0.8%。系統(tǒng)理論上安全成碼率為397.5bit/s@-47.5dB和4.6kbit/s@-38.5dB。本論文的主要創(chuàng)新點在于:1.采用外部激光注入方法有效降低了增益開關(guān)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生光脈沖的強度抖動,有效提高了在大衰減情況下系統(tǒng)的安全成碼率�？紤]典型的QKD系統(tǒng)參數(shù),在40dB衰減情況下,當光脈沖的相對強度抖動晃動從1.59%到1.15%時,系統(tǒng)的安全成碼率提升了 51.89%。2.采用基于FPGA進位鏈TDC和高速串行收發(fā)器GTX的相位內(nèi)插模塊實現(xiàn)了多通道高速串行信號之間的相位鎖定,相位鎖定峰峰值為14.7ps,標準差RMS值是2.5ps,另外多通道信號之間的延時可根據(jù)需要進行改變。這極大的降低了量子密鑰光源的研發(fā)難度。3.實現(xiàn)了一種內(nèi)嵌于激光通信的收發(fā)兩端高精度時間同步方案,在接收光功率不變時,收發(fā)兩端同步精度半高寬為30ps,當接收光功率從-41.4dBm到-23.8dBm變化時,收發(fā)兩端同步脈沖的絕對位置漂移70ps。4.實現(xiàn)了面向星地的高速實時量子密鑰分發(fā)系統(tǒng),當系統(tǒng)衰減在-47.5dB到-38.5dB,信號態(tài)誤碼率為1.9%到0.8%,系統(tǒng)理論上安全成碼率為397.5bit/s@-47.5dB 和 4.6kbit/s@-38.5dB。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN918.4;O413
【部分圖文】：

間信道）和一個認證過的經(jīng)典信道產(chǎn)生安全的密鑰。即使在竊聽者擁有無限計??算能力的量子計算機時，這種安全性依然可以被保證。在ＢＢ８４協(xié)議中，Ａｌｉｃｅ??通過量子信道發(fā)送一連串的單光子給Ｂｏｂ。ＢＢ８４協(xié)議的描述如圖２．１所示。??Ａｌｉｃｅ?Ｃｈａｎｎｅｌ?＿＿?ｒ＼??Ｌａｓｅｒｓ〉?１￣￣Ｚ?—、、／?－—?Ｂｏｂ??Ａｌｉｃｅ＇ｓ?ｂｉｔｓ?１１?０?０?１０??□?Ｑ?□?Ｃ３?□?□?Ｂｏｂ＇ｓ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ??｜?｜?Ｚ?—?Ｂｏｂ＇ｓ?ｒｅｓｕｌｔｓ??Ｓｉｆｔｅｄ?ｋｅｙ?１?－?－?－?１?０?Ｓｉｆｔｅｄ?ｋｅｙ??Ｉ?｜??Ｓｅｃｒｅｔ?ｋｅｙ?Ｓｅｃｒｅｔ?ｋｅｙ??圖２．１基于偏振編碼和ＢＢ８４協(xié)議的ＱＫＤ實驗原理示意圖［６５］??ＢＢ８４協(xié)議的具體步驟如下：??１、

種是單激光器方案［１１２，?１１３］。基于誘騙態(tài)ＢＢ８４協(xié)議的ＱＫＤ光源需要制備三??種強度態(tài)（信號態(tài)、誘騙態(tài)和真空態(tài)）和四種偏振態(tài)（｜／／〉、｜Ｆ〉、｜＋〉、丨一〉）。??多激光器光源方案如圖２．２所示，共需要８路激光器ＬＤ，兩路ＬＤ為一組，分??成四組，分別對應(yīng)四種偏振態(tài)，每種偏振態(tài)對應(yīng)兩路ＬＤ，兩路ＬＤ分別對應(yīng)信??號態(tài)和誘騙態(tài)。多激光器方案將強度態(tài)和偏振態(tài)映射到對應(yīng)的激光器上，一種??量子態(tài)對應(yīng)一路ＬＤ。這種方案強度態(tài)和偏振態(tài)都是外部無源器件控制，實現(xiàn)起??來比較簡單，可靠性高，魯棒性強，很適合工程化生產(chǎn)。??Ｔｗｏ－Ｄｅｔｅｃｔｏｒ?Ｓｃｈｅｍｅ??Ｈ?Ａｌｉｃｅ??Ｄｅｃｏｙ；?１?ＳＭＦ?（??Ｌ■■■?Ｊ??ＳＰＤ２??；＿＿＼?￣￣〇ｎｅ－ＤｅｔｅｃｔｏｒＳｃｈｅｍｅ￣??Ｓｉｇｎａｌ：?￥?ＭＢ?－?ＴＰ?＿：?１—尸－Ｂ與???１—Ｉ??：：?Ｉ??：｜ｈ＞?ＩｄａｃＨｈｖａＩ?ＩｒｎｇＩ?ＩｒｎｇＩ?■：??Ｔｅｓｔ?Ｊ?ｍ?－?＿?［ｌＤＤＩ?－?ｆＲＮＧｌ?？?ｆＳＤｌ－?：?？?？?｛ＤＡＱ］－Ａ??－?＊?＊?－?？?，?－??ＵＳＢ－?ＵＳＢ１?ＵＳＢ－??１?ｃｏｍｐｕｔｅｒ?｜?Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ??圖２．２基于多激光器方案的量子密鑰分發(fā)實驗原理框圖［２０］??量子通信相比于傳統(tǒng)的通信手段最主要的優(yōu)勢是安全性方面�；�于極化編??碼ＱＫＤ系統(tǒng)將量子信息編碼到光子的偏振自由度上，光子的其他自由度應(yīng)該??不存在側(cè)信息泄露，如時間一致性、空間一致性、光譜一致性、相鄰脈沖間相??位隨機性。多激光器方案由于各個激光器之間的性能差異比較大

種是單激光器方案［１１２，?１１３］。基于誘騙態(tài)ＢＢ８４協(xié)議的ＱＫＤ光源需要制備三??種強度態(tài)（信號態(tài)、誘騙態(tài)和真空態(tài)）和四種偏振態(tài)（｜／／〉、｜Ｆ〉、｜＋〉、丨一〉）。??多激光器光源方案如圖２．２所示，共需要８路激光器ＬＤ，兩路ＬＤ為一組，分??成四組，分別對應(yīng)四種偏振態(tài)，每種偏振態(tài)對應(yīng)兩路ＬＤ，兩路ＬＤ分別對應(yīng)信??號態(tài)和誘騙態(tài)。多激光器方案將強度態(tài)和偏振態(tài)映射到對應(yīng)的激光器上，一種??量子態(tài)對應(yīng)一路ＬＤ。這種方案強度態(tài)和偏振態(tài)都是外部無源器件控制，實現(xiàn)起??來比較簡單，可靠性高，魯棒性強，很適合工程化生產(chǎn)。??Ｔｗｏ－Ｄｅｔｅｃｔｏｒ?Ｓｃｈｅｍｅ??Ｈ?Ａｌｉｃｅ??Ｄｅｃｏｙ；?１?ＳＭＦ?（??Ｌ■■■?Ｊ??ＳＰＤ２??；＿＿＼?￣￣〇ｎｅ－ＤｅｔｅｃｔｏｒＳｃｈｅｍｅ￣??Ｓｉｇｎａｌ：?￥?ＭＢ?－?ＴＰ?＿：?１—尸－Ｂ與???１—Ｉ??：：?Ｉ??：｜ｈ＞?ＩｄａｃＨｈｖａＩ?ＩｒｎｇＩ?ＩｒｎｇＩ?■：??Ｔｅｓｔ?Ｊ?ｍ?－?＿?［ｌＤＤＩ?－?ｆＲＮＧｌ?？?ｆＳＤｌ－?：?？?？?｛ＤＡＱ］－Ａ??－?＊?＊?－?？?，?－??ＵＳＢ－?ＵＳＢ１?ＵＳＢ－??１?ｃｏｍｐｕｔｅｒ?｜?Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ??圖２．２基于多激光器方案的量子密鑰分發(fā)實驗原理框圖［２０］??量子通信相比于傳統(tǒng)的通信手段最主要的優(yōu)勢是安全性方面�；�于極化編??碼ＱＫＤ系統(tǒng)將量子信息編碼到光子的偏振自由度上，光子的其他自由度應(yīng)該??不存在側(cè)信息泄露，如時間一致性、空間一致性、光譜一致性、相鄰脈沖間相??位隨機性。多激光器方案由于各個激光器之間的性能差異比較大
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本文編號：2893804