（光学专业论文）量子通信中的若干实验研究.pdf

量子通信中的若干实验研究量子通信中的若干实验研究摘要量子信息学是信息科学和量子力学相结合而形成的新兴交叉学科。量子通信是量子信息学的一个重要分支，在提高运算速度，确保信息安全，增大信息容量和提高检测精度等方面可以突破经典信息系统的极限。本文研究的内容主要分为两个部分，一部分为量子压缩态光场的产生与探测实验，另一部分为连续变量量子密钥分发实验。首先，介绍压缩态光场的基本理论和进展。基于光场的量子理论，推导了量子理论下光场的表示方法。从量子态光场中最基本的状态相干态出发，研究了其量子噪声起伏的特性，进而根据h e i s e n b e r g测不准关系，研究了压缩态光场的特性，即光场的两个正交分量中一个分量的测不准量低于测不准关系的极限值，另一个与之不对易的分量则高于极限值，但二者测不准量的乘积大于或等于测不准关系的极限值。即压缩光场的一个分量的涨落被压缩到真空涨落之下，而另一个与之共轭的分量的涨落高于真空涨落。最后，对压缩态光场相关的理论、实验研究进展进行了总结。基于对压缩态光场的理论研究，设计了一种产生和探测光孤子振幅压缩态的实验方案。首先研究了光信号的探测理论，根据压缩态光场的特性，设计了一种可以用于压缩态光场探测实验系统中的光电探测器。经测量，光电探测器电路的3 d b 带宽可达到1 0 m h z ，噪声等效功率约为6 p 帅抛，饱和功率约为1 9 m w ，在带宽、暗电流噪声、动态范围等方面都可以满足量子压缩态光场探测的要求。研究了一种产生与探测压缩态光场的实验方案，利用具有高度不对称分束比的光纤耦合器和不同长度、不同结构的光纤构成s a g n a c环，通过平衡零差探测系统探测，得到光场的噪声低于散粒噪声极限，获得了最大程度近5 d b 的压缩态光场。由于整个压缩态产生的实验装置均为全光纤结构，与在空气中实现压缩态的系统相比，更便于集成化和实用化。摘要最后，介绍了量子密钥分发的基本原理，重点分析了用于量子密钥分发的b b 8 4 协议。基于b b 8 4 协议，研究了一种连续变量量子密钥分发实验系统。重点研究了用于实验系统中测量部分的平衡零差探测系统。根据连续变量量子密钥分发实验中，信号强度弱，触发时间短的特点，对探测系统中所用的光电探测器电路进行了改进，得到了可用于连续变量量子密钥分发实验的光电探测器。关键词：量子通信压缩态光电探测平衡零差探测量子密钥分发量子通信中的若干实验研究e x p e r i m e n t s0 nq u a n t u mc o m m u n i c a t l 0 n sa b s t r a c tq u a n t t l mi n f o 加a t i c si sar i s i n gi i l t e r d i s c i p l i n eo fi n f o r m a t i c sa n dq u a n t u mm e c h a n i c s q u a n t u mc o m m u n i c a t i o ni sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fq u a n t u mi n f o 硒1 a t i c s ，w h i c hh a sa d v a n t a g e si ni m p r 0 v i n gt h ea r i t h m e t i cs p e e d ，e n s u r i n gt h es e c u r i t yo fi i l f o r m a t i o n ，i n c r e a s i n gd a t ac a p a c i t ya n di m p r o v i n gi n f o r m a t i o na c c u r a c y i nt h i sp a p e r ，咐op a r t sa r em a i n l yf o c u s e do n ，o n ef o rt h eq u a n t u ms q u e e z i n gs t a t eo b t a i n i n ga n dd e t e c t i n ge x p e r i m e n t ，t h eo t h e rf o rt h ec o n t i n u o u sv a r i a b l eq u a n t u mk e yd i s t 曲u t i o ne x p e r i m e n t f i r s t ，t h eb a s i ct h e o r ya n dp r o g r e s so fs q u e e z i n gs t a t ei si n t r o d u c e d b a s e do nt h eq u a n t u mt h e o 巧o fl i g h tf i e l d ，t h eb a s i cs t a t eo fq u a n t u ml 远h tf i e l d - c o h e r e n ts t a t e ，i ss t u d i e d f h n h e rm o r e ，b a s e do nt h eh e i s e n b e 唱u n c e r t a i n 哆r e l a t i o n ，m ec h a r a c t e r i s t i c so fs q u e e z i n gs t a t ei ss t u d i e d 0 n eo ft h e 呐oo n h o g o n a lq u a d r a t u r co ft h el i g h tf i e l di sl o w e rt h a nt h eu n c e r t a i n t yl i i l l i t s ，w h i l et h eo t h e ri sl l i 曲e ft h 锄t h el i m i t ，b u tt h e i rp r o d u c ti sg r e a t e r t h a no re q u “t ot h eu n c e r t a i n t yl i m i t s f i n a l l y ，t h ep f o g r e s s e do ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ns q u e e z i n gs t a t ei ss u m m a z e d b a s e do nt h es t l i d yo ns q u e e z i n gs t a t e ，a ne x p e r i m e n ts c h e m ef o ro b t a i n i n ga n dd e t e c t i n gs o l i t o na m p l i t u d es q u e e z i n gl i g h ti sd e s i g n e d t h eo p t i c a ls i g n a ld e t e c t i o nt h e o 巧i ss t u d i e d ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs q u e e z i i l gs t a t e ，p h o t o d e t e c t o ri tf o rs q u e e z i n gs t a t ema b s t r a ( 玎d e t e c t i o ni sd e s i g n e d t h e3d bb a n d w i d t ho ft h ed e t e c t o ri sm e a s u r e dt ob e1 0m h z ，t h en o i s ee q u i v a l e n tp o w e ri sa b o u t6 p v 矿h z l 陀，a n dt h es a t u r a t i o np o w e ri sa b o u t1 9m w jt h ep e r f o r m a n c e sc a nm e e tt h en e e df o rq u a n t u ms q u e e z i n gs t a t ed e t e c t i o n a ne x p e r i m e n ts c h e m ef o ro b t a i n i n ga n dd e t e c t i n gs q u e e z i n gs t a t ei ss t u d i e d s o l i t o na m p l i t u d es q u e e z i n gs t a t ei so b t a i n e du s i n ga s y m m e t r i cs a g n a ci n t e r f e r o i n e t e ra n dd e t e c t e du s i n gb a l a n c e dh o m o d y n ed e t e c t i n gs y s t e m am a x i m u mp h o t o c u r r e n tn o i s er e d u c t i o n o f5 d bb e l o ws h o tn o i s ei sa c h i e v e d t h ew h o l es y s t e mi sa c h i e v e di na na 1 1 f i b r ee n v i r o n m e n t ，w h i c hm a k e st h es y s t e mi n t e g r a t i o nm o r er e a l 娩a b l e f i n a n y ，t h eb a s i ct h e o 巧o fq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o ni si 1 1 t r o d u c e d ，a n dt h eb b 8 4p r o t o c o lf o rq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o ni sm a i n l ys t u d i e d b a s e do ne i b 8 4p r o t o c 0 l ，ac o n t i n u o u sv a r i a b l eq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d ，t h eb a j a n c e dh o m o d y n ed e t e c t i o ns y s t e mi nt h es y s t e mi sf o c u s e do n b e c a u s et h es 远n a li 1 1t h ec o n t i n u o u sv a r i a b l eq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mi sw e a k ，a n dt h et r i g g e r i n gt i m ei ss h o r t ，t h ep h o t o e l e c t r i cd e t e c t o rc i r c u i ti si m p r o v e dt om e e tt h en e e do ft h es v s t e m k e yw o r d s ：q u a n t u mc o m m u n i c a t i o n ，s q u e e z i n gs t a t e ，p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n ，b a l a n c e dh o m o d y n ed e t e c t i o n ，q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n独创性( 或创新性) 声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：整垫垒日期：型壁：兰：! !关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：考勉系导师签名：立塑日期：日期：孙舌3o量子通信中的若干实验研究第一章绪论量子信息学是信息科学和量子力学相结合而形成的新兴交叉学科。量子信息基于量子特性而具有独特的信息功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面，具有突破现有经典信息系统极限的能力，开拓了量子力学应用的新天地。量子通信是量子信息学的一个重要分支。对于量子信息特别是量子通信的研究与应用已经成为国际上研究的热点。1 1 量子信息学研究进展量子信息学是量子力学和信息科学相结合的交叉学科i l l ，它以量子力学原理为基础，充分利用量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等量子特性，探索以全新的方式进行计算、编码和信息传输的可能性，是一门有着广阔发展前景的新兴学科。量子信息的关键是利用量子相干性的物理观念以及由此引起的量子效应。量子计算的优势在于量子相干性导致的量子并行，量子通信的优势则来自多粒子相干叠加代表的量子纠缠，而量子密码的优势源于量子测量导致的波包塌缩。由于这些独特的量子特性，在提高运算速度，确保信息安全，增大信息容量和提高检测精度等方面可以突破经典信息系统的极限。2 0 世纪5 0 年代，l a n d a u e r 提出了信息的物理本质的观点，1 9 6 9 年，s w i e s n e r提出了量子共轭编码的思想，8 0 年代初f e y n m 硒提出了量子计算机模型，1 9 8 4年，c h a r l e sb e 仰e t t 与g i l l e sb r a 豁a r d 提出了用于量子保密通信的b b 8 4 协议，1 9 8 9 年，b e 皿e t t 等人首次成功完成了量子密钥分配( q k d ) 的演示实验，1 9 9 3 年，量子隐形传态的物理思想被提出，1 9 9 4 年，p e t e rs h o r 提出了大数分解和离散对数的量子快速算法，2 0 0 0 年，m m 公司推出了具有5 个原子的量子计算机寄存器1 2 5 l 。目前，量子信息学的基本框架已经初步形成，并且正在不断飞速发展中。目前，对量子信息学的相关研究主要集中在以下几个方面p 飞( 1 ) 量子力学基本问题。如量子光学理论与技术，单电子晶体管技术，量子态工程，量子纠缠、量子隐形传态、量子力学理论的非局域性和量子测量的新认识及实验检验；( 2 ) 量子计算机及其实现。包括量子图灵机与量子复杂度理论，量子f o u r i e r变换( q 网的理论与实现，量子算法，量子逻辑电路理论与设计技术，量子容错第一章绪论计算技术，量子计算机的构建方案，量子计算语言( q c l ) 等；( 3 ) 量子编码。包括了量子信源编码和量子纠错编码两大方面；( 4 ) 量子通信。包括量子隐形传态与量子纠缠的应用，量子通信信号的特性、产生、传输、接收、检测与处理的模型与基础理论，量子通信信道的物理特性，量子信道的多种容量度量与计算，量子通信协议，量子通信的物理实现等；( 5 ) 量子密码。包括量子密码的完善保密性，量子密钥的分发与管理，量子密钥共享，量子身份认证，量子签名和量子密码检测理论，量子密码的实验研究与物理实现等方面。1 2 量子通信研究进展量子通信是量子信息学中最重要的一个分支，与传统通信方式相比具有许多明显的优势，如提高容量、超高速、绝对安全等，量子通信的发展将为通信领域带来巨大的变革。与成熟的通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，己成为国内外研究的热点。近年来在理论和实践上均已取得了重要的突破，引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。自1 9 9 3 年美国i b m 的研究人员提出的量子通信理论以来，美国国家科学基金会、美国国防部等部门正在着手研究此项技术，欧盟从1 9 9 9 年开始研究，日本也从2 0 0 1 年将量子通信纳入十年计划。我国中国科学院等单位在量子通信领域也做了大量的工作，并取得了一定的成果。1 9 9 2 年，i b m 公司和t c l a v i v 大学的研究人员研究发现i 剐，纠缠对量子信道的容量有极大的影响，可将信道容量提高至少一倍。这是因为在量子信道中传送的每个光子都可能有水平和垂直两种状态，所以把一对光子连接在一起就可能变成4 种状态。利用纠缠光量子技术，一个光子可以发送4 位信息，从而使信道容量提高一倍。经过进一步对粒子3 重纠缠和4 重纠缠的研究，使粒子实现更多的组合状态，可以使量子信息以极快的群速度通过网络。这种极快的信息传送速度要建立在纠正可能出现的错误上。最近m m 和微软的两位研究人员对量子纠缠状态的脆弱性问题提出了完善的解决方案，通过执行量子计算的软件保护量子信息，使量子信息不会产生错误。在此基础上，世界许多国家纷纷进行了应用研究。2 0 0 2 年，德国慕尼黑大学和英国军方下属的研究机构合作【9 】，用激光成功传输了光子密钥。这次传输的距离达到2 3 4 公里。这次试验中采用的密钥是偏振光，利用光子的不同偏振角代表二进制位的0 和1 ，而光子发射的顺序代表了二2量子通信中的若干实验研究进制代码的排序。激光信号发射装置每次发送一个有效的光子，发射方和接收方核对每个光子的发射和接收时间、是否丢失及偏振角是否改变，一旦发生光子丢失或偏振角改变的情况，发射方就可以从密钥序列中去掉这个光子，从而组成一个新的密钥。试验中并没有使用复杂的仪器。2 0 0 3 年，美国国家标准与技术研究所和波士顿大学的科研人员研制出一种能探测到单脉冲光的探测器i l o j ，它同时还能将误测或漏测率几乎减少到零。新的仪器采用光纤通信的近红外线光波，它的漏测率已经可以忽略不计。2 0 0 4 年，世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。这套网络目前拥有6 个节点，主要通过普通光纤来传输采用量子密码术加密的数据，与现有因特网技术完全兼容，网络传输距离约为1 0 公里。日本三菱电机公司宣布，该公司研究利用防盗量子密码技术传送信息获得成功，其传递距离长度可达8 7 公里，打破了美国洛杉矶国立研究所创造的4 8 公里的记录。该研究取得突破进展的关键因素之一是改良了检测光子元件。2 0 0 5 年，中国科技大学的研究人员通过自由空间纠缠光子的分发实验! 在国际上首次证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，纠缠的特性仍然能够保持，并可应用于高效安全的量子通信【l l - 1 2 】。量子通信是通信技术上的又一次划时代革命，具有广泛的发展前景。首先，量子通信可以满足空间远距离、大容量、易组网等方面的要求，量子通信可以用来构筑高速、大容量的通信网络，实现高清晰度图像等大容量超高速数据的传输，为建立量子因特网奠定了坚实的基础。其次，量子通信可以实现完全保密通信，这使得量子通信在军事、国防、国民经济建设等领域都有重要作用。第三，目前许多国家致力于空间拦截及空间信息传输等技术的研究，并取得了一定的成果，量子通信的应用必将加速空间拦截及空间信息传输等技术的快速发展。第四，由于量子通信时延为零，可以实现超光速通信，量子通信的发展必将加速人们探索宇宙空间的进程。在量子通信的多个研究方向中，量子密钥分发被认为是其中最可能实用化的一个方向。当前大多数保密系统安全性的前提是，在现有的计算机硬件与理论的基础上无法攻破。但随着计算机技术的快速发展，密码破解能力越来越强。过去安全的密码系统，现在可能很快被破解。量子计算机用微观粒子的量子态表示、存贮和处理信息，由于它具有电子计算机所不可比拟的巨大并行性和强大计算能力，现在的多种密码体制的计算假设在量子计算机上将不再成立。一旦量子计算机被研制出来，将是对现在广泛应用的各种密码体系的致命性打击。这些潜在的威胁使得对新的安全体系的研究逐渐引起人们的重视【1 3 l 。量子理论为保密通信3第一章绪论的研究提供了新的途径。1 9 8 4 年，b e 仰e t t 和b r a s s a r d 提出了第一个量子密钥分发协议( q k d ) ，被称作b b 8 4 协议。根据h e i s e n b e r g 测不准原理，该协议具有理论上的绝对安全性。此外还有基于e p r 关联的相关粒子协议。根据这些协议，发送方与接收方可以同时得到完全相同的随机序列，并且任何第三方的窃听和干扰都会被发觉，从而可以保证密钥的产生和传输过程的绝对安全【陴”】。量子密码的无条件安全性引起了各国研究机构的重视，从1 9 8 4 年开始，量子密码学进入了高速发展的阶段。1 3 压缩态理论与实验研究进展光孤子可以无变形的进行远距离信息传输，是理想的信息载体。可以利用光纤的非线性效应，使得具有复杂的谱结构的孤子的能量噪声低于散粒噪声，从而得到光孤子压缩斜1 彻l 。与经典光场相比，压缩光具有许多明显优势。目前为止，压缩态光场已经在超低噪声光检测、超低噪声光器件及设备、超精密光学测量、高灵敏度光谱分析等研究领域中取得进展。在光通信中，使用压缩态光场作为光源，通信容量可加倍。在量子密码技术中，通常要用到极微弱的信号，可以借助于压缩态光场的高灵敏度检测。此外，压缩态光场在纵向腔面辐射激光二极管和发光二极管研制、引力场相干探测等领域中也具有优势。1 3 1 压缩态理论研究进展目前，对光场压缩态的理论研究主要有以下几方面【2 1 3 1 】：( 1 ) 单模压缩态阶段1 9 7 0 年，美国学者s t o l e r 首次提出光场压缩态的概念。1 9 7 6 年，y u e n 在发展压缩态概念的基础上，提出双光子相干态，实质为压缩态。1 9 8 5 年，c kh o n g和lm a n d e l 首先将压缩效应推广到二阶，提出了第一种高阶压缩的定义，并讨论了能够产生高阶压缩的若干非线性过程，扩大了光场压缩的含义。1 9 8 7 年，h i l l e r y 对压缩的概念进行推广，针对光场振幅的平方，提出了振幅平方压缩光的概念。1 9 9 0 年，张智明等在振幅平方压缩概念的基础上，提出单模光场振幅n次方压缩的概念，这一概念独立于c kh o n g 和i m 锄d e l 高阶压缩的概念，是对高阶压缩的一种新的定义。1 9 9 1 年，j ab e 略o u ，m h i i l e r y 和d y u 首次提出了振幅平方压缩框架下的最小测不准态和压缩最小测不准态的定义。1 9 9 6 年，董传华提出了有关单模辐射场的第三种高阶压缩的定义。单模辐射场的压缩及高阶压缩理论基本形成。4量子通信中的若干实验研究( 2 ) 双模压缩态阶段1 9 8 9 年，m h i l l e 巧提出了双模和、双模差压缩的定义，并指出双模和、差压缩可通过参量上、下转换，即和、差频过程来产生。同年，m s 飚m ，ea m d eo k i v e 南a 和p lk n i 曲t 进一步考虑了如何根据单模压缩态产生并实现双模压缩态的基本方法和途径。1 9 9 1 年，c c g e 唧对相关双模相干态的非经典性质进行研究，发现双模相干态具有光场压缩性，并且双模相干态经线性叠加后会使压缩效应增强。1 9 9 3 年，我国的彭蕉墀、黄茂全、谢常德和郭光灿等科研人员利用非简并下参量转换过程首次通过实验获得了双模压缩光，其噪声水平较真空噪声水平下降了近3 0 。目前，国际上关于单模、双模压缩态的研究工作已经进入到实用阶段，有关单模、双模光压缩的器件已开始商品化。( 3 ) 多模压缩态多模压缩态理论由我国学者杨志勇和侯洵于1 9 9 8 年建立。多模压缩态理论主要包括多模辐射场的广义非线性等阶高阶压缩理论和多模辐射场的广义非线性不等阶高阶压缩理论。这一理论将国际上现有的单模、双模压缩态理论统一到一个更为普遍的多模压缩态理论体系之中。1 3 2 压缩态实验研究进展在实验研究方面，早期的压缩态实验是通过四波混频来产生压缩态的，四波混频利用了光学介质的三阶非线性效应。s l u s h e f 等人以连续波环形激光器作为光源，入射光于卜h 原子束成9 0 度通过，出射光为压缩光，利用平衡零差探测系统观测得到0 7 d b 的压缩光。利用参量下转换，得到了0 3 d b 的正交相位压缩【3 2 lo光纤中的压缩态首先由s h e l b y 等人实现，以6 加的连续激光作为光源，在低温制冷环境中，通过单模光纤得到了0 6 d b 的压缩1 3 孓3 5 1 。以上实验方案产生的均为正交相位压缩，须使用相位敏感的零差探测，即将信号光场与本地振荡混合后测量，通过控制本地振荡的相位来测量正交振幅在其上的投影。s h i m s a l 【i 和h 眦s 提出了另一种新方案，利用非线性光纤m a c h z c h n d e r干涉仪实现压缩态的产生【姗8 1 。m a c h z e h i l d e r 干涉仪的实验方案原理较为清晰，但容易受热噪声和其它环境因素的影响，从而导致两个干涉臂不对称。另一种替代方案是采用s a 鲷a c 干5第一章绪论涉仪。s a 印a c 干涉仪的优点在于通过保证两路脉冲通过相同的干涉环境，从而保证两路的对称性。s h e l b v 等人使用1 5 6 f s 的孤子脉冲在1 5 5 0 i l m 附近，通过5 m光纤构成s a 驴a c 环，观测到2 d b 的压缩。b e f g m a i l 等人使用光纤型对称s a 驴a c干涉仪，利用重复频率1 g h z ，中心波长1 3 1 4 眦，脉宽4 8 0 f s 的孤子脉冲，以8 0 m 长光纤构成s a 印a c 环，得到了6 1 d b 的压缩光【3 9 删。振幅压缩减小了高能量脉冲强度的涨落，可以无须零差探测系统直接测量。g 曲e r g 等人利用孤子在光纤中传输，通过直接探测，得到了3 8 d b 的压缩光。近年来，具有非对称分束比的s a 驴a c 干涉仪被引入到压缩态产生实验中。在通过对称s a 鲷a c 干涉仪产生压缩态的实验方案中，虽然产生了压缩态，但由于相空间中不确定椭圆区域的短轴不在正交方向上，难以直接测量。而在非对称s a 盟a c 干涉仪产生压缩态的实验方案中，可以利用反向传输的较弱一路脉冲对较强一路产生干涉，将相空间中压缩态不确定椭圆旋转一定角度，使短轴与某一正交方向重合，从而可以更明显的直接观测到压缩态。s i l b e r h 0 棚等人利用此装置得到了最大4 d b 的压缩，并将此压缩光通过偏振分束器干涉，进一步得到e p r纠缠态，用于量子通信的研究中。m e i s s n e r 等人将这一系统集成到全光纤环境中，得到了2 d b 的压缩【4 。此外，由于s a 驴a c 干涉仪在分束比固定的情况下，两路脉冲的能量和相位无法调节，f i o r e n t i n 0 等人提出利用偏振m a c h z e h n d e r 光纤干涉仪和单模保偏光纤产生压缩态的实验方案。这一方案可以独立控制类孤子脉冲和辅助脉冲的相位和振幅，从而获得更大程度的压缩态。f i o r e n t i n o 等人在实验中得到了6 3 d b 的压缩态。1 3 3 压缩态研究的趋势随着压缩态光场理论与实验研究的日趋成熟，目前对于压缩态理论的相关研究主要集中在以下几个方面：( 1 ) 增大光场压缩程度，发展可调谐压缩态光源，以便用于亚散烂噪声光谱测量等方面。( 2 ) 研究光场压缩态与原子的相互作用。( 3 ) 研究多模叠加态光场的压缩特性，并将其用于孤子产生、孤子压缩、孤子控制、孤子传输、孤子通信及全光量子计算机的开发等相关领域。在实验方面，对于压缩态光场的研究主要集中在以下几个方面：6量子通信中的若干实验研究( 1 ) 利用全固化技术，研制实用化、集成化的稳定压缩态光源。( 2 ) 利用压缩光进行低于散粒噪声的高精度测量。( 3 ) 使压缩光与原子相互作用。( 4 ) 研制各种新型多模压缩态压缩器件。1 4 论文内容安排本文从量子通信的基本理论出发，对光孤子振幅压缩态和连续变量量子密钥分发实验进行了研究，重点研究了用于压缩态和量子密钥分发实验的探测系统和光电探测器设计。文章第一章绪论简单回顾了量子通信特别是压缩态与量子密钥发分发相关研究的发展脉络；第二章从光场的量子理论出发，介绍了压缩态光场的基本理论，研究了量子密钥分发系统的基本理论与协议；第三章探讨了一种适用于压缩态光场探测实验的光电探测器电路的设计方案，给出了其性能指标；第四章介绍了一种实验室中用于产生和探测光孤子振幅压缩态的方案，并给出了实验结果及分析；第五章介绍了一种基于连续变量的量子密钥分发实验系统，重点介绍了其中的平衡零差探测部分和光电探测器的设计；第六章是对全文所介绍研究工作的总结。7第一章绪论参考文献【1 】李承祖等，量子通信与量子计算，长沙：国防科技大学出版社，2 0 0 0【2 】c r i s t i 锄s c l a u d e ，e ta l ，c o m p u t i n gw i t hc e l l s 锄da t o m s ：锄i n t r o d u c t i o nt oq u a n t u m ，d n a 柚dm e m b r a n ec o m p u t i n g ，t a y l o r f h n c i si n c ，h n d o n ，2 0 0 1【3 】gb r a s s a r d ，ab i b l i o 伊a p h yo fq u a i l t u mc r y p t o 黟a p h y ，s i g a c tn e w s ，v 0 1 2 4 ，n o 3 ，1 9 9 3 ，p p ：1 6 2 0【4 】c h - b e 彻e t te ta l ，t e l e p o n i n g 锄u n l 【i l o w nq u a n t u ms t a t ev i ad u a lc l a s s i c a la n de p rc h 锄e l s ，p h y s r e v k t t ，7 0 ，1 9 9 3 ，p p ：18 9 5 1 9 0 2【5 】ew ：s h o r p o l y n o m i a l - t i m ea l g o r i t h m sf o rp r i m ef a c t o r i z a t i o na n dd i s c r e t el o g a r i t h m s0 naq u a n t u mc o m p u t e f s 认m c o m p u t ，v 0 1 2 6 ，5 ，1 9 9 6 ，p p ：1 4 8 4 1 5 0 9【6 】a e l 【e n ，r j o z s a q u 孤t u mc o m p u t a t i o n 锄ds h o r sf a c t o 血ga l g o r i t h m ，r e v i e wo fm o d e mp h y s i c s ，v 0 1 6 8 ，n o 3 ，1 9 9 6 ，p p ：7 3 3 刁5 3【7 】d b 0 m 釉e e c t e r j w p 锄，km a t t l ee ta l ，n a t u r cv 0 1 3 9 0 ，1 9 9 7 ，p p ：5 7 5【8 】c h b 锄e t t ，h j b e m s t e i n ，s p o p c s c i i ，c o n c e n t r a t i n gp a n i a l t a n 酉e m e n tb yl o c a lo p e r a t i o n s ，p h y s r e v av 0 1 5 3 ，1 9 9 6 ，p p ：2 0 4 6 2 0 5 2【9 】c k u r t s i e f e f ez a r d 冬m h a l d e r ，c ta 1 ，q u a n t u mc r ) 乍t o g r a p h y ：as t e pt o w a r d s百o b a lk e yd i s t 曲u t i o 巩n a t u r e ，2 0 0 2 ，p p ：4 19 4 5 0【1 0 】八j m i l l e r ，n s m a r t i n i s ，j m s e 呼e n k o ，a vd e m o n s t r a t i o no fal o w n o i s en e a r - i n f h r c dp h o t o nc o u n t e rw i t hm u l t i p h o t o nd i s c r i m i n a t i o n ，a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s v 0 1 8 4 ，n 0 4 ，2 0 0 3 ，p p ：7 9 1 7 9 3【1 1 】胡弘，高磊，量子通信技术进展，河南科技，v 0 1 7 ，2 0 0 5 ，p p ：6 5【1 2 】d b 0 u w m e s s 觚e r ，j w p 柚，km 枷e ，e x p e 血i e n t a lq u a n t u mt e l e p o n a t i o n ，n a t u r c ，1 9 9 7 ，p p ：3 9 0【1 3 】m g a r d n e r an e wl 【i n do fc i p h e r 擒tw o u l dt a k cm i l l i o n s0 fy e a 璐t 0b r e a k ，s c i e n t i f i ca m e r i 伽，v 0 1 2 3 7 ，1 9 7 7 ，p p ：1 2 0 1 2 4【1 4 】lkg f o v q u a n t u mm e c h a i l i c sh e i p si ns e a r c h i n gf o ran e e d l ei nah a y s t a 咄p h y s r e v l e t t ，v 0 1 7 9 ，1 9 7 7 ，p p ：3 2 5 3 2 8【1 5 】c h b e 蛐e t t ，gb r a s s a r d ，p 贼e ei i l t e m e t c 0 n f o nc 0 m p u t e r s ，s y s t e m s柚ds i 弘a lp 赋e s s i n b a n g a l o r e ，n c wy o r ki e e e ，1 9 8 4【1 6 】p d d m m m o n da n ds j c a t e r ，q u 觚t i l m f i e l dt h e o 巧o fs q u e e z i n gi ns o l i t o n s ，j o p t s o c a m b ，1 4 ，1 9 8 7 ，p 1 5 6 5 1 5 7 3【1 7 】p d d m m m o n d ，s j c a n c r 粕dr m s h e l b y ，t i m ed e p e n d e n c eo fq u a n t u m8量子通信中的若干实验研究n u 咖a t i o n si ns o l i t o n s ，o p t l c t t ，v 0 1 1 4 ，1 9 8 9 ，p 3 7 3 刁7 5【1 8 】r m s h e l b y ，p d d m m m o n d ，a n ds j c a t c r ，p h 硒e - n o i s es c a l i n gi nq u a n t u ms o l i t o np r o p a g a t i o n ，p h y s r e v 如1 4 2 ，1 9 9 0 ，p 2 9 6 6 2 9 7 6【1 9 】h ah 她s 锄dyl a i ，q u 锄t u mt h e o r ) r0 fs o l i t o ns q u e e z i n g al i n e a 血e da p p r o a c h ，j o p t s o c a m b ，v 0 1 7 ，1 9 9 0 ，p 3 8 6 3 9 2【2 0 】s s p 甜t e r ，n k o r o l k o v a ek 6 n i g ，e ta l ，o b s e a t i o no fm u l t i m o d eq u a n t u mc 0 玎e l a t i o n si nf i b e ro p t i c a js o l i t o n s ，p h y s 。r e v k t t ，v 0 1 8 l ，1 9 9 8 ，p 7 8 6 7 8 9【2 1 】z f i c e l 【，r t o n a s ，s 尉e l i c h ，a m p l i t u d e s q u a r ds q u e e z i n gi nt 、) i r o a t o mr c s o n a n c en u o r e s c e n c e ，o p t c o m m u n ，v 0 1 6 9 ，1 9 8 8 ，p p ：2 0 2 4【2 2 】kw 砌i e w i c z ，j h e b e 订y ，c o h e r e n ts t a t e ss q u e e z e df h j 咖a t i o n 柚dt h es u ( 2 )觚ds u ( 1 ，1 ) g r o u p si nq u 锄t u mo p t i c sa p p l i c a t i o n s ，j o p t s 0 c a m ，v 0 1 3 ，1 9 8 2 ，p p ：4 8 5 4 8 6【2 3 】董传华，高阶压缩的另一种定义，光学学报，v 0 1 1 6 ，1 9 9 6 ，p p ：1 5 4 3 。1 5 4 8【2 4 】d s t o i e r ，e q u i v a l e i 赋tc l a s s e s0 fm i i l i m u mu n c e f t a i n t yp a c k e t s ，p h y s r c v ，v 0 1 1 2 ，1 9 7 0 ，p p ：3 2 1 7 3 2 1 9【2 5 】d ew a l l s ，s q u e e z e ds t a t e so fl i 曲t ，n a t u r e ，v 0 1 1 1 ，1 9 8 3 ，p p ：1 4 1 1 4 6【2 6 】r l o u d o n ，el i 曲t ，s q u e e z e dl i 曲t ，j m 0 d o p t ，v 0 1 3 4 ，1 9 8 7 ，p p ：7 0 9 7 5 9【2 7 】c kh o n 岛lm a n d e l ，g e n e f a t i o no fh i g l l e f d e rs q u e e z i n go fq u a i l t u me l e c t r o m a g n e t i c 石e l d s p h y s r e 、，a ，v o l 3 2 ，1 9 8 5 ，p p ：9 7 1 9 8 2【2 8 】m h i l l e 啪a m p l i t u d e - s q u a r ds q u e e z i n go ft h ee l e c t r o m a 印e t i cf i e l d ，p h y s r e v 八，v 0 1 3 6 ，1 9 8 7 ，p p ：3 7 9 6 0 8 0 2【2 9 】m h i l l e 吼s u m 锄dd i f f e r e n c cs q u e e z i n go ft h ee l e c t r o m a 伊e t i cf i e l d p h y s r e v a ，v 0 1 4 0 ，1 9 8 9 ，p p ：3 1 4 7 旬1 5 5【3 0 】z z h a n lx u j c h a i ，an e wl 【i n do fl l i g h e f 田f d e rs q u e e z i n go fr a d i a t i o nf i e l d p h y s k n ，v 0 1 1 5 0 ，1 9 9 0 ，p p ：2 7 3 0【3 l 】j ab e r 9 0 u ，m h i l l e 啦d y u ，m i n i n l u mu n c e n a i n t ys t a t e sf o r锄p l i t u d e s q u a r ds q u e c z i n g ：h e 衄i t ep o l y n 咖i a ls t a t e s ，p h y s r e v a ，v 0 1 4 3 ，1 9 9 1 ，p p ：5 1 5 巧2 0【3 2 】r e s l u s h e r lwh o u b e r g b y u r k e ，o b a t i o no fs q u e e z e ds t a t e sg e n e r a t e d b y 棚a v em i x i n gi