量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中若干電子學(xué)模塊的設(shè)計(jì).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(duì)于人類具有特別重要的意義。信息安全是任何國(guó)家、政府、部門、行業(yè)都必須十分重視的問(wèn)題，是一個(gè)不容忽視的國(guó)家安全戰(zhàn)略。而基于量子力學(xué)和當(dāng)代信息學(xué)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(xué)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(xué)的基本定理在物理層面上保障了量子密碼的無(wú)條件安全性，這種安全性能夠經(jīng)得起包括量子

2、計(jì)算機(jī)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(yuǎn)大前景，各國(guó)都十分重視對(duì)于量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)。從Bennett和Brassard 于1984年提出首個(gè)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(guò)無(wú)數(shù)國(guó)家、實(shí)驗(yàn)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?guó)家同樣十分重視量子密鑰分發(fā)理論的研究，目前中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的實(shí)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)距離量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中高速單光子源的設(shè)計(jì)與實(shí)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(guò)光纖傳送給接收方，接收方用單光子探測(cè)器來(lái)接收。為了使單光子探測(cè)的暗計(jì)數(shù)維持在一個(gè)低的水平，探測(cè)器采用門控的模式運(yùn)行，即僅在光子到來(lái)的時(shí)候打開(kāi)一個(gè)時(shí)間―門‖進(jìn)行

4、計(jì)數(shù)。這個(gè)門寬可以由探測(cè)器設(shè)定的，在實(shí)驗(yàn)中要求越小越好。光子到來(lái)的時(shí)刻是和同步信號(hào)相關(guān)聯(lián)的，但經(jīng)過(guò)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(gè)可以及時(shí)調(diào)節(jié)延時(shí)電路來(lái)調(diào)整這個(gè)相位關(guān)系，使得探測(cè)器能夠準(zhǔn)確得到光子計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)的最終方案采用粗延遲加細(xì)延遲的組合方式，由一個(gè)單片機(jī)來(lái)控制粗細(xì)延遲的延遲量，通過(guò)掃描的方式來(lái)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(gè)電壓不會(huì)是一個(gè)固定的值。因此控制偏振調(diào)制器必須依靠一個(gè)可控的直流高壓模塊，這個(gè)可控直流高壓模塊是依靠一個(gè)單獨(dú)的插件完成的。設(shè)計(jì)方案是采用一個(gè)單片機(jī)來(lái)控制DAC，DAC 輸出的電壓經(jīng)過(guò)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(yuǎn)距離以及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。為此我們開(kāi)展了一個(gè)高速，遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)。我們?yōu)榇嗽O(shè)計(jì)了一個(gè)具有520M 重復(fù)頻率的單