（光学专业论文）光纤中的量子密钥分发实验系统与量子随机数源.pdf

摘要 本文是国内第一个量予密钥分发实验系统的完善和发展，报告了笔者在全 竞纤酌蚤子密镣分发和量子随梳数发圭器研裁这两方藏砖王锋。 本文首先介绍了量子密钢产生的历史背景、理论的发展、实验的实现及其 进展。着重论述了量予密钥分发的熬本原理，基于衰减的激光脉冲作单光子源、 幂等臂的马赫一嚣得干涉仅、b b 8 4 协议相饿镶希l 麓奎竞绎的量母密锅分发炎蹬系 统的搭遗。我们自制了几- - t - 所有的模块，连续及脉冲两神调制始激光驱动瓣，压 电陶瓷的相位调制器，单光予探测嚣的无源抑制电路反其工作于盖革模式下所需 的高压电源。我完威香搴主要盖作是：光路系统的搭建、电子器停的审j 作、数据采 集软件的鳊程以及数据处理、系统的调试、符合联4 量进行数据采集。最后完成了 工作波长8 5 0 n m 、传输距离1 1 k r a 、数据臂效传输率4 3 比特、误码率为9 的实 验系统。 为了使该系统更加完善，还逊行了基于衰减竞脉冲聋尊参黉下转换纠骧兜子 对作光源、基于光子路径选择的随机性的冀随机数发生器的研究，完成了随机数 产生速率4 0 k 轰右的爽验。产生的序列戆遵过随秆检溺。 荚键词： 量子密钥分发，b b 8 4 协议，单光予探测嚣，马赫一曾得干涉仪，参量下转 换，鲻簸免予靖，量子随机觳发生器 a b s t r a c t k e y d i s t r i b u t i o ni st h ea r to f s h a r i n gas e c r e tk e yb e t w e e nt w o c o o p e r m i v ep l a y e r s ，a l i c ea n d b o b ，i nt h ep r e s e n c eo fa l le a v e s d r o p p e re v e i n f o r m a t i o ns e c u r i t yh a sa l w a y sb e e no fg r e a t i m p o r t a n c e t o e v e r yn a t i o n ，e v e r yg r o u p a n d e v e r yp e r s o n t h es e c u r i t y o f q u a n t u m c r y p t o g r a p h y i sb a s e do nt w o p r i n c i p l e so f f u n d a m e n t a lp h y s i c s ，i e h e i s e n b e r g su n c e r t a i n t y p r i n c i p l e a n dt h eq u a n t u m n o n c l o n i n gp r i n c i p l e ，a n dg u a r a n t e e s a b s o l u t e s e c u r i t y o ft h e c r y p t o g r a p h i ck e y ，w i t h o u ta s s u m p t i o n sa b o u t t h er e s o u r c e sa v a i l a b l et oa p o t e n t i a la d v e r s a r y t h i st h e s i s r e p o r t st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fm ys t u d i e sd u r i n gt h ep a s tt w oy e a r so n q u a n t u mk e y d i s t r i b u t i o na n da q u a n t u m r a n d o mn u m b e r g e n e r a t o r t h et h e o r e t i c a lb a c k g r o u n do f q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o ni sf i r s tp r e s e n t e d ，i t se x p e r i m e n t a l r e a l i z a t i o na n dr e c e n td e v e l o p m e n t sa r et h e nd e s c r i b e d e m p h a s i si sp l a c e do nt h ed i s c u s s i o no f t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h ed e s c r i p t i o no f t h ef r a m e w o r ko f o u r s y s t e m ，t h ei m p l e m e n t a t i o no f i t s b a s i cm o d u l e ss u c ha st h es i n g l e p h o t o ns o u r c e ，s i n g l ep h o t o nd e t e c t o r s ，o p t i c a lf i b e rp h a s e m o d u l m o ra n dd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gp r o g r a m o u rs y s t e mi sb a s e do nt h eb b 8 4 p r o t o c o l ，t w ou n e q u a la r m sm a e h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r s a n do p t i c a lf i b e rp h a s em o d u l a t i o n m y j o bc o n c e n t r a t e do ns e t t i n gu pt h ee x p e r i m e n t a lo p t i c a ls y s t e m ，p r o c e s s i n gp r o g r a m 。c o n s t r u c t i n g e l e c t r o n i cd e v i c e sa n d ，u s i n gc o i n c i d e n c em e a s u r e m e n tt oo b t a i n d a t a t h ew o r k i n gw a v e l e n g t hi s 8 5 0 n m ，t r a n s m i s s i o nd i s t a n c e1 1 k m ，e f f e c f i v ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e4 3 b i t s sa n db i te r r o rr a t e a b o u t9 ia l s ot o o k p a r ti ni m p l e m e n t i n gaq u a n t u mr a n d o mn u m b e rg e n e r a t o rb a s e do nt h ei n t r i n s i c r a n d o m n e s so f q u a n t u mm e c h a n i c s t h ep h o t o n su s e dw e r eo b t a i n e df r o mf a i n tl a s e rp u l s e sa n d e n t a n g l e dp h o t o np a i r sg e n e r a t e db ys p o n t a n e o u sp a r a m e t r i cd o w n - c o n v e r s i o n ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ： q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n ( q k d ) ，b b 8 4p r o t o c o l ，s i n g l ep h o t o nd e t e c t o r , m a e h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r ，c o i n c i d e n c em e a s u r e m e n t , q u a n t u mr a n d o mn u m b e r g e n e r a t o r , e n t a n g l e dp h o t o n p a i r s ，p a r a m e t r i cd o w n - c o n v e r s i o n 光纤中的量子密钥分发实验系统与置子随机数源 第一章密码学的发展历史 髹密遴蓿静磊静燕後通信稷方互籀交流撩怠丽第三者无法窃取或破坏信息的内容。通常 所说的加密裁是对信息明文m 进程数据变换g s ，摆出糍文c ： 钒( m ) = c( i - 1 ) 密文发给合法的接受者，邋过逆变换进行解密，恢复明文m ： m=gil ，应该莠如下佟瘸： f 4 ) j ) 呻1 4 船) ( 2 1 ) 这里| 磊是装鼙疆予捧鳋藏大准备辩懿状态，| 4 ) 表示装置的终态，它们可以与被敖大 的掇子态没有关鲧。i s s 表示放大以后产生的两个具有与被放大量子态相同量子态的摄子态。 戳筚巍予谝振态为倒说鞘，对予其它量子态可越同样诚明。对于处于水平偏撤的单光子有： l _ 。) ) 一l 氏，) l 肿) ( 2 - 2 ) 同样，对垂崴偏振的单光子有： l 茂x 拿) 一| 蠢。) 溶( 2 - 3 ) 根据鬣子力学，这种作用可以用一个线性算符( 即幺正算符) 表示。因此，对予水平偏 振释垂壹僚摄静绫往缝合口溶+ 崩$ ) 翦单竞子态( 群2 + 筘2 = 1 ) ，这个放大装萱酌作用结 果应该是： i 4 ) ( 窃滢) + 别叫) - - ) 口f 4 。) 件0 ) 十矧4 。) f 七h ) ( 2 - 4 ) 如果仪器的状态l 。) 刊碡。不一棰，扶仪器出来戆嚣个党子处于镳摄懿混台态；露慕 它们相同，这两个光子就处于一个纯态 叫拿拿+ 剧( 2 - 5 ) 6 垄墨皇塑墨兰查塑坌垄塞壁墨竺芝墨三望墼塾翌 i i ；对予一个瑷您藏大装置，如栗一个线褊缀光子搿滢) + 降) 被放大，激螽静态应该燕 ( 口 $ ) + l 十 ) ) 2 = 穗2 $ $ ) + 2 c 够l $ 岭+ 2 0 $ ) ( 2 6 ) 这个结果显然是一个纯态，并且与( 2 0 ) 、( 2 5 ) 擒述韵稚播量子力学基本特性推出的 结果不嗣。 因此可以得出一个结论：并不可能存在一种设备，能够对任意给定偏振态的单光子进行 教大，显然慰特定豹方趣，肆曩盔彝农平方自主可鞋擞劐。我喾j 胃戳敖心懿诞：单炎予不帮 克隆。 圈2 1 光子受激放大过程 齄于反转挠簌状态的粒予在一个入瓣光子静搬聚下蹙激辐射 鹣一个赣 的光子。单最子不可克隆定理告诉我们除了几个特定的偏振方向以外。 出辫毙予盼藏振态并不与a 瓣冀子竞垒一蘩。 2 2 三种生要的量子密错分发方案简介“”删 2 。2 。1b b 8 4 蛰议 一、通信跹程： 撮据箕量子特往，兜予静偏报态属予二维希尔伯特空间。可用下谢三套互为共轭的矢 量基中任何一套采描述：( i )( 0 ，1 ) 、( 1 ，0 ) ：( i i ) 1 压( 1 ，1 ) 、1 点( 1 ，一1 ) 犟眭 ( i i i ) 1 2 ( 1 ，i ) 、1 2 ( i ，1 ) 。前两套基的基矢鬣代表线偏振光的偏振方向，两套 基匿成 4 5 。，第三套基代表圆偏振光的右旋态和左旋态。两套旗互为按轭指的是，套基的任一 基矢在男一套基懿锤蔼萋矢土的投影都鞠等。囡忿，对于菜一萋豹基炙罐子态，醢另一套 基对其进行测量，会消除窀测量前具有的全部信息而使结果完全随机。例如，一个水平放 置酌捡偏棱镜，透射光偏撮方向为永平，反射光偏撮方向为垂巅，用它去铡量一个线偏振 方肉为4 5 4 鲍光予，就完全无法知道该巍子会在霹5 个出爨出现，因为蘸个方惫如现鳇扼率 都为5 0 。如果光子初态偏振方向为水平或垂直，在偏振器两个出口备放置一个探测器， 就霹完全判粝毙子麴谈掇方是，测量结袋是确定牲鳆。攀j 耀毙挚靛上述燕子戆健，遥焙双 7 光纤中的量予密钥分教实验系统与量子随机数源 第三章量子密码通信的进展 从楗出量予密码术到现在的十多华以来，国际上对量子密码的蠼论和实验研究十分活跃， 墩得了相当大的进展。理论残究主要露嚣个方嚣，一是发震赣豹、照有效掬q k d 方案；二是 对各种窃听策略、误码率阈值、通信系统噪声、误码校正以及保密增强等问题进行驻加详细的 努耩蠢避论。实验研究粼主要蹩解决筵获逶穰筵离，撵瘫逶倍速率静翔遂戳及改逶q k d 掰需 的单光予源、调制器、单光予探测器等单元技术。 3 纛子密码麓皖鹩壤论蓑藤 理论方面，自从1 9 8 4 年c h b e n n e t t 等提出第一个q k d 方案一- - b b 8 4 协议殿1 2 ”，1 9 9 1 年，牛津大学的a k e k e r t 提出了相关粒子协议”，该协议谯解决密钥本身传递的同时，至少 毽论上涟瓣决了密钥本载镶存翘题，熬露在鬟薅上弓l 起轰动。1 9 9 2 罐b e n n e t t 等糍逛冀爱e p r 关联对，不用b e l l 不等式同样也能实现量予保密通信，并鼠证明了该类方案和b b 8 4 方寨的 等蛰惶滞l 。嗣举，b e n n e t t 再次撰文撬密b 9 2 协议，并给出了一个稍溺m a c h - z e h n d e r 干渗便 和光子位相干涉实现的具体的实验方粜【3 0 l 。仍是这一年，e k e r t 提出了一个番! | 用f r a n s o n 干涉 仅和参鬣下转换光子对实现的相关粒子协议的实验方案p ”。至此蚤予密码通信三大主流方案 已经全郝形成，它们是基于不确定性原理的b b 8 4 、b 9 2 按议和基于e p r 关联的e k c r t 协议。 此后，b e n n e t t 和e k e n ；上及大童的研究者对q k d 系统进行了更为深入细致的研究。 1 9 9 3 年，k j 。b l o w 等人诞骥了爨枣量子糍玛暹铸方寰磐矮游是鸵一个熬奉蒙瑗，终为该 原理的一个引理，为了保证安全性，所有字符方案都必须牺牲一些潜在的有效的数据口”。 s m b a r n e t t 等太将薪翅羹孑保密蘧僖方案分梵嚣撵齐效据登( 魏b b 8 4 、b 9 2 方案) 和弦弃数 据型( e k e r t 方案) 两类，并证明对抛赛数据烈方案为了防止阶段截断，转发。窃听嚣必须象少 采甭三个字符禁。在诧之前挺出的所膏单光子方案( 不用关联光子对) 都是j e 抛弃数据型的渊。 m ，j 。w a r n e r 和g j 。m i l b u m 则讨论了窃昕者采明量子 # 破坏性测量方法对对保密道僚豹影响， 他们的结论是b e l l 不替式成立与否对窃听者的探测强度极其敏感p ”。 1 9 9 4 年，e k c r t 对饿塞丑瞧出熬采搏f r a n s n n 干涉援静实验方法遴牙了详尽静联论势掇秘 讨论。同年，e k e r t 还对b e n n e t t 方案中的各种窃听簸略进行了讨论1 35 1 。并风详细的计算了各 耱策略f 窃瞬蠹带来豹误褥率l 嘲。 1 9 9 5 年，l o o l d e n b e r g 和l ，v a j d m a n 又提出了种全新的量子密玛通储方案1 3 7 。和以往 的方案不同的怒该方案蒸于两个正交鼙乎态而不是b e n n e t t 方案中的两个非诫交量予态，同时 谯信道笼损著且搽测效率为1 0 0 b 1 的理想情况下，该方案还霹教直接爆米搀辕信惠。不过， 该方案引起了很多争议。通常不被认为是一种标准的撵子密码通信方案。 1 9 9 6 年，m k o a s h i 窝n j m o t o 攒蹬跚，燕然b e n n e t t 谣夔了强意蘸个嚣歪交态酱霹班潮 予量子密码通信，但是对于混合态来说，仅仅满足这个条件还是不够的。他们导出将两个混台 t 5 光纤中的量子密钥分发实验系统与量子随机数源 态用于量子密码通信的充分必要条件为：这两个混合态必须通过一个非正交角度的转动算符联 系起来。 对于实际通信系统，由于各种噪声引起的误码的剔除问题，以及如何从存在少量窃听而得 到的不纯的密钥序列中提出较高纯度的密钥序列的问题，受到b e n n e t t 的特别重视，在1 9 9 2 年关于b b 8 4 方案的第一篇实验报告中f ”l ，详细讨论了校错方面的问题。1 9 9 6 年，b e n n e t t 等 对量子密码通信中的奇偶校验位开展了细致的工作 4 0 - 4 ”。同时e k e r t 等人则从校错编码的角度 对校错进行了讨论1 4 3 】。所有这些讨论，对一个实际的系统来说显然是相当垂要的，否则单纯 得到一串不安全的密钥序列是毫无意义的。同时这些讨论和研究也将使人们的注意力从纯理论 的方向转到具有实际可用性的系统。 3 2 量子密钥分发的实验发展 量子密钥传输的演示实验于1 9 8 9 年第一次成功，由美国和加拿大的b e n n e t t 和b r a s s a r d 等人口9 1 做出，实验装置示意图如图3 - 1 ： 【 发光二极管 lf qp l1 2 3 2 c m p 3wd a l i c e 自由空问 b o b d o 图3 - 1 第一次量子密钥分发实验示意图 ( l ：聚焦透镜；f ：滤光片；q 为偏振片：p i 、p 2 、p ，：电光调制器； w ：沃拉斯顿棱镜；d i 、d 2 ：光电倍增管) 由绿色发光二极管发出一串脉宽为5 9 s 、重复频率为几千赫的微弱光脉冲，被衰减为平 均每个脉冲中只有o 1 个光子，以保证少于1 2 0 的脉冲数中含两个以上的光子。起偏器为两 个电光调制器p 1 、p 2 ，a 通过随机选择其电压来选择光子的线偏振或圆偏振态。接受端包括 另一个随机控制的调制器p 3 以及输出格兰棱镜w 组成的检偏器和两个探测单光子的光电倍 增管( p m t ) 。实验中光予在自由空间中只传输了3 2 e m ，误码率为4 ，有效传输率也很低( 1 0 分钟内传输了1 0 5 b i t ) ，但是窃听者能够截获的比特数估计只有6 1 0 。7 ，说明安全程度非常 高，足以显示量子密钥分发的潜力和诱人的前景。 在之后不到l o 年的时间内，实验量子密码术飞速发展已逼近实用阶段。目前进展最快 的国家为英国、瑞士和美国。英国国防研究部于1 9 9 3 年首先在光纤中实现了相位调制编码的 b b 8 4 协议的量子密钥分发舭日。通信双方各用一台不等臂长的光纤m z 干涉仪发送和控制光 1 6 光纤中的量子密钥分发实验系统与量子随机数源 脉冲，a 、b 之间只需一根传输光缆。光源是1 3 t x m 的脉冲半导体激光器，该波长在光纤中损 耗较小，为标准的光通讯波长。传输光纤长度为1 0 k m ，探测器为低温冷却的锗雪崩二极管。 这项研究后来转到英国通讯实验室( b r i t i s ht e l e c o ml a b o r a t o r i e s ) ，到了1 9 9 5 年，经过备方面的 改进，在1 0k m 和3 0k m 的光纤传输中误码率分别降到1 5 和4 。光纤系统图如图3 - 2 所 示，其中在比特1 的光路中加一段延时，以时间分隔区分0 、1 信号。 其原理简化如图3 3 所示a l i c e 和b o b 拥有完全相同的、不等臂长的m a c h z e h n d c r 干涉 仪。长臂和短臂的延时差刃远远大于光源的相干时间长度，因此在每个干涉仪中不存在干涉， 只在b o b 的出口处会发生干涉( 见图3 。3 ) 。单个光子通过a l i c e 的干涉仪后进入传输光纤的时 刻是不确定的，其时间间隔为斑。为了便于说明在图3 - 3 中以两个几率符表示，其中前面的 表示光子走短臂的概率，后面的表走长臂的概率。经过b o b 的干涉仪后，每一个几率符又被 分成两个：走短臂的和长臂的。分别以“短一短”、“短一长”、“长一短”、“长一长”表 图3 - 2 光纤量子密码通信系统图 c l 、c 2 、c 3 、c 4 、c 5 ；5 0 5 0 的光纤耦台器la p d 雪崩二极管单光子探测器 m ：相位调制器。 示这4 种时刻。其中“短- 短”或“长长”不发生干涉，但是由于两个干涉仪的光程差是相等 的，“短一长”和“长一短”之间发生干涉。 图3 - 3 不等臂长m z 干涉仪用于量子密钥发布 1 7 l 白，。j、j|婚 i q 1 1 |面野j 变，、罄 垄堑竺量至童塑坌墨壅墼至竺皇墨王堕塑墼塑 一一 光子出现在图1 7 中的u 端的中央时刻的几率为： 1 只，= 丢【1 + c o s ( c a 一九) j ( 3 - 9 ) o 光子出现在图3 3 中的“l ”端的中央时刻的几率为： 1 ， 最= 二o 【1 一c o s ( 九一九) j ( 3 1 0 ) o 在英国的国防研究部也曾尝试过用双光子的e p r 方案【5 l ，从h e c d 激光器4 4 1 6 n m 波长 的光和l i l 0 3 晶体产生一对下转换光子，分别送至相距4 ，7 k m 的a 、b 的光纤m z 干涉仪。a 随机选择她的调制相位为0 或们，b 同样随机选择调制相位为0 或，2 。当两个相位相差0 或2 的整数倍时，a 、b 的光子相关联，对应的数据留作密码本，否则废弃。 相位编码比偏振编码的好处是，对光的偏振态要求不那么苛刻。在长距离的光纤传送中 光的偏振性会退化，造成误码率的增加。然而，瑞士日内瓦大学1 9 9 3 年用偏振编码的b b 8 4 协 议在1 1k m 的光纤中传输1 3 u 波长光子，误码率仅为0 5 4 ，而后1 9 9 5 年在日内瓦湖底铺设 的2 3 k m 民用通信光缆中进行了实地表演，误码率为3 4 m ”。所使用的元件都为光通信用的 标准元件，附加纠偏反馈控制。1 9 9 7 年他们实现的方案h ”，利用法拉第镜消除了光纤光路中 的双折射等影响因素，把干涉可见度提高到了9 9 8 4 ，同时极大的提高了信道的偏振、位相 稳定性，使得系统的稳定性和使用的方便性大大提高，被称为“即插即用”的量子密码方案。 图3 4 是本方案的光路系统示意图。在b o b 一方。半导体激光器发出的光脉冲，经衰减 图3 4 即插即用量子密码方案 m 1 、m 2 、m 3 ：法拉第镜：c i 、c 2 ：5 0 ：5 0 的光纤耦合器；v ：可变光衰减器，o ；光隔离器，d o ： 单光子探测器 d 1 ：普通光探测器；p m ：光纤相位调制器，l a s e r t 单模半导体激光器 后在c 2 处，沿着两种路径传输：一部分( p 1 ) 直接通过光纤传送到a l i c e 处，另一部分( p 2 ) 被m i m 2 组成的延迟线延时。经过这两路的光子都会在m 3 处被反射，沿反方向传输。a l i c e 通过d l 测量入射光脉冲强度，并根据结果将它衰减到单光子的量级( 通过不等比例耦合器 c 3 完成：并通过相位调制器将调制信息加到p 2 上( 对p 1 不进行调制) ) 。在p 1 、p 2 返回b o b 的过程中，p l 有一部分被m 1 一m 2 延迟线延时并被b o b 的相位调制器调制，这部分与p 2 返 回过程中未被延时的部分在c 2 处干涉。干涉结果被d 0 探测并经过后面的高速电子仪器( 如 1 8 光纤中的量子密钥分发实验系统与量子随机数源 时间分析仪) 处理后，b o b 便可提取a l i c e 所要传送的信息。 美国的j o h n sh o p k i n s 大学，基于最早的b b 8 4 实验方案，用h e - n e 激光，通过各种控制 手段，在l k m 长的光纤中完成演示实验。令人振奋的进展是：他们在原光纤系统基础上加了 准直扩束光学器件，成功地在白天室外环境下传输密钥，自由空间距离为2 0 0 多米，误码率2 ，比特传输率l k h z 。【4 ”美国l o sa l a m o s 国家实验室创造了目前光纤中量子密码通信距离 的记录，他们采用的实验装置与英国的有些相似，波长也为1 3 “但使用的是b 9 2 方案。虽然 有效比特传输率更低，但通过先进的电子手段，成功地在长达4 8 k m 的地下光缆中进行密钥传 送，同时他们在自由空间里也实验成功。1 9 9 9 年瑞典和日本合作在1 5 5 0 n m 通信波长光纤中 成功地进行了4 0 k m 的量子密码通信实验【5 。 4 8 k m 的光纤传送距离已足以在银行、政府的分支机构之间建立起光纤网络，或许地球上 的某些机密地方之间已存在这样的系统，但是由于光纤中的损耗，更远距离的传输在技术上 有很多困难。现在人们想到的一种解决办法是利用卫星来增加传输距离( 大气中水平方向光 传输损耗很大，但是竖直方向上光传输损耗急剧减小，并且真空中光损耗非常小，单光子可 以传输很远) 。目前这一设想的实验记录由美国l o sa l a m o s 国家实验室的量子信息小组1 9 9 9 年所创造：白天自由空间中5 0 0 m 的传输距离，他们预期近期能实现7 k m 的自由空间传输。i s l 自由空间中实验的成功取决于在强背景下经过扰动介质的单光子的传输和检测。大气对 于波长接近7 7 0n n l 的光有很高的传输率，并且大气在这个波长上是非双折射的，因而可以保 证如实地传输光子的偏振态。大气扰动的大多数的光学影响是发生在光路最后的约2 公里处。 大气扰动会引起光子到达时间起伏不定和光束的漂移( 通过折射率的变化) 。大气传输时间不 会因插入短暂的间隔而改变，所以可以通过在传输每一个光子之前先传输另一波长的不携带 任何密钥信息的强激光脉冲计时以精确补偿这个时间起伏。由大气扰动引起的光束漂移降低 了系统的比特率已为激光通信开发出的活动光束转向方法( a c t i v e b e a ms t e e r i n g m e t h o d ) 可 以使光束保持指向接受器。例如，通过监视强计时脉冲的反射部分，就可以获得误码信号井 反馈给光束转向机构。 l o s a l a m o s 的b 9 2 协议q k d 实验系统工作于7 7 0n n l 波长，在这一波长下大气传输率为 8 0 ，大气的退偏效应可以忽略不计。用周期为1 0 0p s 的计时强脉冲设置时间补偿( 精度约 i n s ) 。发送方的光斑直径为2 0c m ，这样在3 0 0k m 高度上的卫星上的衍射斑点直径约为1m 。 由于大气扰动，在l o s a l a a n o s 上空光束漂移为l 到5 弧秒。假设1 0 倍于衍射限度的情况一一 漂移为1 0 弧秒，得到卫星的光子采集效率约为1 0 。因此将激光脉冲频率设景为1 0 m h z ， 平均每个脉冲一个光子。探测器效率为6 5 ，总的密钥产生率可以做到 2 5 0 h z 。象在激光通 信系统中一样，用简便的光束倾斜反馈系统，使光束锁定在卫星上，从而可把密钥产生率提 高n - - 4 0 k h z 。也可以把q k d 发送方设置在卫星上。把接收方设置地面上。 演示实验的成功，强有力地证明了地面到卫星、卫星到地面以及卫星到卫星的q k d 是可 行的。当然目前存在应用q k d 的基本物理要求一一在地面站和轨道卫星之间的真正单光子传 1 9 光纤中的量子密钥分发实验系统与量子随机数源 输和探测从来没有演示过的问题，不过卫星激光通信的许多光学探测、定位、跟踪和可采用 的光学技术可以用于解决这一问题。有理由相信，使用卫星的q k d 会在逻辑上和实际应用中 成为下一步发展方向。因此，用于轨道上的卫星的二次加密( r e - k e y i n g ) 的q k d 也是一个拉展 方向。卫星q k d 解决了无缘用上光纤通信的地面用户使用量子密码术的问题，而且对于相互 之间隔得很远的地面用户而言也会扩展q k d 的安全性和方便性。 1 9 9 5 年美国加州大学s a nd i e g o 分校的p c s u n 等实现了另一种长距离干涉仪口“，以声 光调制器对信号进行频率分割，所得干涉峰有很高的可见度，这类干涉仪可望在量子密码通 信系统中得到进一步的应用。 在我国，量子密码通信的研究刚刚起步。中科院物理所于1 9 9 5 年在国内首次做了演示性 实验，和b b 8 4 第一次实验类似。华东师范大学用b 9 2 方案做了实验5 ”，2 0 0 0 年中科院物 理所在国内首次完成了全光纤的量子密钥分发【”】。最近，量子密码作为9 7 3 项目“量子信息 科学”中的一个重点课题的到国家的支持，众多单位的加入壮大了研究队伍。总的来说，比 起国外目前的水平，我国差距较大，需要迎头赶上。 下面总结国内外近年来的一部分实验成果 表3 - 1 自由空间的q k d 实验进展 研究单位时间协议 波长( 微米)距离 比特率误码率 b e n n e t t 、b r a s s a r d 5 6 】 1 9 9 1b b 8 4o 5 53 2 e m4 中科院物理所【5 3 】 1 9 9 5b b 8 40 5 63 0 e m4 k6 华东师大物理系【5 4 1 9 9 7b 9 2 0 6 3 ，0 6 7 3 0 e r a1 0 k 6 ；2 1 美国l o s a l a m o s 【5 11 1 9 9 9b 9 2o 7 75 0 0 m5 k 1 6 美国l o sa l a m o s 5 7 】2 0 0 0b 9 2o 7 71 6 0 0 m 德1 虱 5 81 2 0 0 2b b 8 42 3 k m 表3 - 2 光纤中的q l 【d 实验进展 研究单位时间协议 波长( 微米)距离比特率 英国国防研究部 4 4 】 1 9 9 3b b 8 41 31 0 k m2 0 k j o h n sh o p k i n su 【4 9 】1 9 9 5 b b 8 40 6 3 31 k m5 k 瑞士g e n e v a u n i v 【4 7 】 1 9 9 5b b 8 41 32 3 k m 英国b tl a b s1 9 9 5b b 8 41 3 3 0 k i n3 0 k 瑞士和日本