發(fā)布時(shí)間：2020-11-22 00:04

　　 在經(jīng)典密碼學(xué)中,一次一密方法可以實(shí)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(yuǎn)的通信雙方持續(xù)的進(jìn)行通信,就需要實(shí)時(shí)獲取密鑰,這也就引入了安全密鑰分發(fā)的問(wèn)題。量子密鑰分發(fā)是量子力學(xué)與經(jīng)典密碼學(xué)交叉的一個(gè)領(lǐng)域。借助于量子力學(xué)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(wú)條件安全的密鑰。近些年來(lái)量子密鑰分發(fā)不斷朝著遠(yuǎn)距離和高安全成碼率前進(jìn),并正在朝著全球量子通信網(wǎng)絡(luò)前進(jìn)。“墨子”號(hào)衛(wèi)星的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)驗(yàn)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(yuǎn)的通信雙方發(fā)送安全密鑰。為了滿足多種運(yùn)用的需求,這就需要高速實(shí)時(shí)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(xué)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(shí)現(xiàn)面向星地高速實(shí)時(shí)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。圍繞這一目標(biāo),研究了一些關(guān)鍵性的技術(shù),并成功運(yùn)用于實(shí)際系統(tǒng)中。本論文主要包括以下4個(gè)方面的內(nèi)容。首先,對(duì)增益開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體激光器方法產(chǎn)生的光脈沖的強(qiáng)度晃動(dòng)進(jìn)行了研究,通過(guò)采用外部激光注入方法減小了光脈沖的強(qiáng)度晃動(dòng)。理論分析與仿真結(jié)果表明,在大信道衰減下,光脈沖強(qiáng)度晃動(dòng)對(duì)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(dāng)光脈沖的相對(duì)強(qiáng)度晃動(dòng)從1.59%減小為1.15%時(shí),系統(tǒng)的安全成碼率提升了 51.89%。其次,針對(duì)高速量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中多通道高速信號(hào)相位鎖定問(wèn)題進(jìn)行了研究,采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換TDC和相位內(nèi)插PI方法閉環(huán)鎖定多個(gè)高速串行收發(fā)器信號(hào)之間的相位,并且多路信號(hào)之間的延時(shí)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。TDC是基于Kintex Ultrascale 040 FPGA內(nèi)部的進(jìn)位鏈,時(shí)間分辨率為10.2 ps,測(cè)量精度為18 ps,通過(guò)多次測(cè)量進(jìn)一步提高時(shí)間測(cè)量精度。最終控制多個(gè)高速串行收發(fā)器輸出信號(hào)相位鎖定在14.7ps的峰峰值和2.5 ps RMS。多通道高速信號(hào)相位鎖定在量子光源時(shí)間一致性方面及一些大型核物理系統(tǒng)時(shí)間同步方面有著重要的運(yùn)用。再次,針對(duì)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(jìn)行了研究。在實(shí)時(shí)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中,需要激光通信來(lái)支持經(jīng)典數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(jìn)行同步信號(hào)的傳遞。通過(guò)采用低抖動(dòng)CDR方式實(shí)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(guò)分析光探測(cè)前端APD、跨阻放大器及限幅放大器的定時(shí)甄別原理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)光功率變化不敏感的高精度時(shí)間同步。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,當(dāng)接收光功率從-41.4 dBm變化到-23.8 dBrm時(shí),收發(fā)兩端同步信號(hào)絕對(duì)位置偏移70ps。在實(shí)現(xiàn)高精度同步的同時(shí),光通信系統(tǒng)的接收靈敏度依然可以達(dá)到-41.4 dBm。最后,本論文進(jìn)行了高速實(shí)時(shí)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(gè)模塊。本論文主要對(duì)發(fā)射端量子光源模塊及光通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。配合密鑰后處理實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)量子密鑰分發(fā)�？紤]實(shí)際星地鏈路系統(tǒng)衰減在-47.5dB～-38.5dB,我們采用桌面實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬此衰減并測(cè)試該高速實(shí)時(shí)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的性能。當(dāng)系統(tǒng)衰減在-47.5dB到-38.5dB,信號(hào)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?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于:1.采用外部激光注入方法有效降低了增益開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生光脈沖的強(qiáng)度抖動(dòng),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(dāng)光脈沖的相對(duì)強(qiáng)度抖動(dòng)晃動(dòng)從1.59%到1.15%時(shí),系統(tǒng)的安全成碼率提升了 51.89%。2.采用基于FPGA進(jìn)位鏈TDC和高速串行收發(fā)器GTX的相位內(nèi)插模塊實(shí)現(xiàn)了多通道高速串行信號(hào)之間的相位鎖定,相位鎖定峰峰值為14.7ps,標(biāo)準(zhǔn)差RMS值是2.5ps,另外多通道信號(hào)之間的延時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行改變。這極大的降低了量子密鑰光源的研發(fā)難度。3.實(shí)現(xiàn)了一種內(nèi)嵌于激光通信的收發(fā)兩端高精度時(shí)間同步方案,在接收光功率不變時(shí),收發(fā)兩端同步精度半高寬為30ps,當(dāng)接收光功率從-41.4dBm到-23.8dBm變化時(shí),收發(fā)兩端同步脈沖的絕對(duì)位置漂移70ps。4.實(shí)現(xiàn)了面向星地的高速實(shí)時(shí)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)衰減在-47.5dB到-38.5dB,信號(hào)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(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN918.4;O413
【部分圖文】：

間信道）和一個(gè)認(rèn)證過(guò)的經(jīng)典信道產(chǎn)生安全的密鑰。即使在竊聽(tīng)者擁有無(wú)限計(jì)??算能力的量子計(jì)算機(jī)時(shí)，這種安全性依然可以被保證。在ＢＢ８４協(xié)議中，Ａｌｉｃｅ??通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度態(tài)（信號(hào)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(duì)應(yīng)四種偏振態(tài)，每種偏振態(tài)對(duì)應(yīng)兩路ＬＤ，兩路ＬＤ分別對(duì)應(yīng)信??號(hào)態(tài)和誘騙態(tài)。多激光器方案將強(qiáng)度態(tài)和偏振態(tài)映射到對(duì)應(yīng)的激光器上，一種??量子態(tài)對(duì)應(yīng)一路ＬＤ。這種方案強(qiáng)度態(tài)和偏振態(tài)都是外部無(wú)源器件控制，實(shí)現(xiàn)起??來(lái)比較簡(jiǎn)單，可靠性高，魯棒性強(qiáng)，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(shí)驗(yàn)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(shì)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(shí)間一致性、空間一致性、光譜一致性、相鄰脈沖間相??位隨機(jī)性。多激光器方案由于各個(gè)激光器之間的性能差異比較大

種是單激光器方案［１１２，?１１３］�；�于誘騙態(tài)ＢＢ８４協(xié)議的ＱＫＤ光源需要制備三??種強(qiáng)度態(tài)（信號(hào)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(duì)應(yīng)四種偏振態(tài)，每種偏振態(tài)對(duì)應(yīng)兩路ＬＤ，兩路ＬＤ分別對(duì)應(yīng)信??號(hào)態(tài)和誘騙態(tài)。多激光器方案將強(qiáng)度態(tài)和偏振態(tài)映射到對(duì)應(yīng)的激光器上，一種??量子態(tài)對(duì)應(yīng)一路ＬＤ。這種方案強(qiáng)度態(tài)和偏振態(tài)都是外部無(wú)源器件控制，實(shí)現(xiàn)起??來(lái)比較簡(jiǎn)單，可靠性高，魯棒性強(qiáng)，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(shí)驗(yàn)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(shì)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(shí)間一致性、空間一致性、光譜一致性、相鄰脈沖間相??位隨機(jī)性。多激光器方案由于各個(gè)激光器之間的性能差異比較大
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