连续变量量子保密通信技术研究

量子保密通信是一门新兴学科,它的出现改变了加密仅依赖数学与逻辑变换的传统模式,开辟了物理密码学的新思路。量子保密的巨大的应用前景和商业价值,吸引了各国政府投入了大量资源与人力进行研究。在量子保密通信发展过程中,连续变量量子保密技术出现较晚。但是由于该技术使用经典光源作为信号源,具有实现成本低,信道容量大,密钥生成率高等优点,因此一面世就受到诸多关注。本文研究目标是解决连续变量量子保密通信中的关键技术,提出一些具有创新性和实用性的调制和接收技术,并在解决关键技术问题的基础上,完成实用化连续变量量子保密通信系统样机的研制。论文主要工作内容有以下几个方面：1.设计并实现了脉冲平衡零差检测单元,并对检测器进行校准和测试。经测试,所实现的检测器单元整体等效量子效率为52.6%,在参考光平均功率为-20dBm时,电噪声比量子噪声低17.517dB,共模增益抑制比(CMRR)为70dB,其共模增益、低噪性等指标已超过国外同类报道。2.建议采用偏振分集接收解决偏振抖动对于光场正则分量检测的影响,引入算符代数方法对所建议的方案进行了理论分析。3.搭建往返式连续变量量子密钥分发系统,改进了传统光路结构,实现双相位二维高斯调制。该方法具有成本低,调制精度高,且偏振不敏感的特点。其强度调制动态消光比约为9.5dB,由调制引起的噪声比量子噪声低20dB。达到实验精度要求。通过实验,证明了连续变量量子密钥分发与经典光通信波分复用的可行性,最终在系统时钟100KHz,8公里的通信距离上,实现-0.8kbps的密钥分发速率。4.搭建双不等臂MZ干涉光路,实现单向连续变量量子密钥分发系统。系统最大安全通信距离约为27.2Km,最大密钥分发速率近10Kbps,这是迄今报道最远的连续变量量子密钥分发系统。结合实验,研究了影响连续变量量子密钥系统性能的几个因素,包括损耗、噪声与环境等。讨论了实际系统中最优调制方差与调制精度的选择,并通过对信道的实时监控,证明了系统的实际安全。5.研究了连续变量量子数据加密实际安全性。建立了高斯有损有噪信道中,光束分离攻击下,协议的安全分析模型。根据信息论相关知识,分析了实际信道参数对其安全性的影响,推导了满足实际安全的边界条件并绘出数值曲线。结合实际系统中调制电路精度受限的特点,提出采用弱相干态代替经典场来实现安全的量子数据流加密系统,且进行了实验验证。6.在以上研究的成果基础上,设计并实现了一个接近实用化的连续变量量子保密通信实验。该系统集成量子密钥分发,量子数据加密和量子身份认证三大功能,可以支持图像、文本和实时语音加密传输。