（凝聚态物理专业论文）量子密码通信用长波长inn单光子源探测系统的设计初探.pdf

摘要密码学主要是研究通信安全保密的学科。量子密码学是密码学与量子力学结合的产物，利用量子不可克隆定理和海森堡测不准原理等量子特性，量子密码通信理论上已经证明是绝对安全。量子密码通信在密钥分发上的实验已经得到巨大进展，预计很快能投入应用，在军事、电子银行保密等方面将有广泛的应用前景。在光量子信息处理过程中，单光子源和探测器是很重要的一个方面。由于具有独特的本征特性，i n n 材料已经成为最近两年国际上最热门的研究单光子源的材料之一。本文介绍了i n n 材料的基本性质。探讨了材料的生长技术和应用方向。采用低温氮化铟( i n 】田缓冲层，利用射频等离子体辅助分子束外延( r f m b e ) 方法在蓝宝石衬底上获得了晶体质量较好的单晶i n n 外延膜。并且设计了以13 1 0 r i m 激光波长作为光源的单光子探测装置系统。关键词：量子密码通信单光子源i n n 单光子探测器a b s t r a c tc r y p t o g r a p h yi st h es u b j e c ts t u d yo ft h es e i z u r ec o m m u n i c a t i o n q u a n t u mc r y p t o g r a p h y ( o c ) i st h ec o m b i n a t i o no fc l a s s i c a lc r y p t o g r a p h ya n dq u a n t u mm e c h a n i c s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fq u a n t u mm e c h a n i c s ，s u c ha sn o c l o n i n gt h e o r e ma n dh e i s e n b e r g 。su n c e r t a i n t yp r i n c i p l e ，p r o v i d et h ep e r f e c ts e c r e c yf o rq u a n t u mc r y p t o g r a p h i cc o m m u n i c a t i o n b e i n gt h ef i r s ta p p l i c a t i o no fq u a n t u mp h y s i c s ，q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o nh a sb e e nd e v e l o p e dv e r yf a s te x p e r i m e n t a l l yi nr e c e i l ty e a r s i tw o u l di m p a c tt h o r o u g h l yt h ee x i s t i n gs o 圮b r cc o m m u n i c a t i o n , e s p e c i a l l yi nm i l i t a r ya f f a i r s ，e b a n k i n ga n ds oo n i m p o r t a n te l e m e n t su s e di no 砸c a lq u a n t u mi n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga r es i n g l e - p h o t o nd e t e c t o r sa n ds o u r c e s d u et ot h eg r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a la n dt h es e c r e t so ft h ec h a r a c t e r sh a v i n gb e e nr e v e a l e d ，t h ei n nm a t e r i a li so n eo f t h em o s ta t t r a c t i v em a t e r i a l sb yw a yo fs i n g l e - p h o t o ns o l l r c e si nr e c e n tt w oy e a r s i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i cp r o p e r t i e so fi n nw e r ei n 仃o d u c e d t h eg r o w t ht e c h n i q u e sa n da p p l i c a t i o n so fi n nm a t e d a lw e r ed i s c u s s e d f i n a l l y ，s o m eq u e s t i o n sa n dt h ep r o s p e c to ft h ei n nm a t e r i a li nt h ef u t u r ew e r eg i v e n i n nf i l m sw i t hl o w - t e r a p e r a t u r ei n nb u f f e rl a y e ra r es u c c e s s f u l l yg r o w no ns a p p h i r es u b s t r a t e sb yr a d i o f r e q u e n c yp l a s m a - e x c i t e dm o l e c u l a rb e a me p i t a x y as i n g l e p h o t o nd e t e c t i o ns y s t e m w i t h l a s e r o f t h e13 1 0 r i m w a v e l e n g t h a s l i g h ts o u r c e i sd e s i g n e d k e yw o r d s ：q u a n t u mc r y p t o g r a p h i cc o m m u n i c a t i o ns i n g l e - p h o t o ns o u r c ei n ns i n o e p h o t o nd e t e c t o rn长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，量子密码通信用长波长h 蝌单光子源探测系统的设计初探是本人在指导教师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已瓷发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：王熬垒q 塑年卫月兰羔日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”。同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：壬塑呈q q 生年卫月竺羔e l指导导师签名：堑：查塑盟年土月兰羔日1 1 引言第一章绪论量子密码术是量子物理学和密码学相结合的一门新兴科学，它成功地解决了传统密码学中单靠数学无法解决的问题并引起了国际上的高度重视。上世纪下半叶以来，科学家在“海森堡测不准定理”和“单量子不可复制定理”上，逐渐建立了量子密码术的概念。“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的推论，指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态。量子密码术突破了传统加密方法的束缚，以量子状态作为密钥具有不可复制性，可以说是“绝对安全”的。任何截获或测试量子密钥的操作，都会改变量子状态。这样截获者得到的只是无意义的信息，而信息的合法接收者也可以从量子态的改变，知道密钥曾被截取过。在2 0 0 4 年t o s h i b a 欧洲研究中心研究人员用防盗光纤量子密码技术传送信息，其传递距离长度达到创记录的1 2 2 公里，这一距离为量子密码技术实用化提供了可能，对提高国防和金融通信系统的安全性大有帮助。2 0 0 2 年，k u r t s i s f e r 等人在自由空间中，将传输距离提高到2 3 公里“1 。在国内，2 0 0 3 年，华东师范大学研究人员在光纤中完成了5 0 公里的量子密码通信演示性实验”1 。2 0 0 5 年，中国科技大学研究人员实现了1 3 公里自由空间纠缠光子分发的最远距离。总的来说，比起国外目前的水平，我国还有较大差距。目前阻碍量子密码术走向实用的主要问题是缺少高效的信息载体单光子源。现在量子密码研究中所使用的单光子源是将相干光脉冲衰减到平均每个脉冲只有o 1 o 2 个光子，这是一种近似的单光子源，其效率低，既影响量子密钥的传输距离，又影响其安全性，因为这种光源有可能在一个脉冲中同时出现两个光子。因此研制真实的单光子源成为量子密码研究的一个关键性问题。现在通常采用重过滤激光作为载体，但是它们大多数时间产生空脉冲，有时产生单个脉冲，并且偶尔产生两个光子脉冲。所以现在国际上正在大力开展半导体单光子源的研究，采用半导体量子点材料制作单光子源。量子点材料的优越性在于利用量子限制效应提高器件性能；这是由于量子限制效应将导致电子态密度能谱分布的浓缩、分立：光和低维结构的相互作用将发生重要变化，多体关联效应和非线性光学效应变得越来越显著。强量子封闭效应导致器件光增益、温度稳定性、阈值电流等性能质的改善：量子点低维结构光电器件将具有更高速、更低功耗、新功能等独特优越性。现在主要采用i n a 量子点5 卜阳1 和c d s e z n s 量子点材料”1 等。但是电驱动的单光子源只能工作在5 k 低温下“。发光波长也比较短，在光纤中传输的损耗比较大，效率也比较低。最近英国剑桥大学及欧洲t o s h i b a 研究中心利用量子点制造出波长落在1 3 1 a m 通讯波段的单光子光源，但是该单光子发射器必须在低温3 0 k 下工作。瑞士的研究人员研制出工作在1 3 9 r a 的单量子点，但是也只能在9 0 k 下工作n 1 。m 族氮化物半导体材料1 a n 是温度特性优越的新型半导体材料。最近，国际上对i n n 材料禁带宽度的认识取得了新的突破，其禁带宽度是o 6 0 7 e v 而不是一直认为的1 9 e v 。由于本征禁带宽度的减小，使得i n n 的发光波长达到了1 5 5 9 i n ，使得光通信器件制备可选用的材料得到丰富。在国际上，研究i n n 量子点材料的研究机构主要有法国的o b r i o t 等人的研究小组和日本千叶大学的a y o s h i k a w a 研究小组| l o l 。但是材料的质量不足以满足量子密码通讯所需的单光子源要求。在国内，中科院半导体研究所和南京大学开展了i n n材料的研制工作，但是没有开展i n n 量子点材料的研究。现在我们实验室已经开展研究i n n 量子点材料。我们提出i n n 材料的单光子源器件，将具有更好的高温工作特性，单光子源结构拟采用阳极氧化新工艺实现微区自对准电流限制，将使单光子源器件的制作工艺更加简化。所以，研制出高质量的i n n 量子点单光子源，对量子密码通信具有重大的现实意义。因此，设计一套有效的单光子源操测系统，才是掌握i n n 量子点单光子源特性的重要保证。单光子探测研究已经取得了很大的成就，但还是不能够满足人们对高科技领域探索的需求。现有的单光子源探测器一般都要求在低温下工作，这样就增加了系统的复杂程度和体积。能够在室温下工作的单光子源探测器，将是未来的一个发展方向。随着量子通信技术的发展，对红外单光子的探测，特别是对13 1 0 r i m 和15 5 0 n m波长的单光子探测将是未来单光子探测技术发展的一个重要方向。对单光子源探测器的研究将从两个方面去考虑，一方面，对探测器件本身的结构和生产工艺进行探索和提高，以便研究出新型的结构更加合理、性能更加稳定的探测器件，另一方面，将不断地对外围控制驱动电路进行改造，以达到单光子探测的目的。1 2 经典保密系统准确地说，一个密码系统由明文空间p 、密文空间c 、密钥空间k 、加密算法e 和解密算d 五个法组成部分。其通信过程如图1 1 所示。2图1 1 密码通信原理图明文是要加密的信息，明文的全体称为明文空间，一般用p ( p l a i n t e x t ) 或者m( m e s s a g e ) 表示。密文是明文经过伪装后的信息，全体可能出现的密文的集合称为密文空间，一般用c ( c i p h e r t e x t ) 表示。密码方案确切地描述了加密变换与解密变换的具体规则。加密和解密算法的操作通常在称为密钥的元素控制下进行，密钥的全体称为密钥空间。我们用a 1 i c e ( 信号发送者) 和b o b ( 信号接收者) 代表合法通信的双方，e v e 代表窃听者。通信双方a l i c e 和b o b 共享一个密钥。若发送方a l i c e 想秘密地给接收方b o b 一个明文信息，则它利用密钥经过一定的加密规则将明文加密为密文后通过公共信道传给b o b ，b o b 利用所掌握的密钥和解密规则将密文恢复成明文。窃听者e v e 可能会从公共信道获得密文信息，但由于他不知a l i c e 和b o b 间的共享密钥( 假设秘密信道是安全的) ，因而难以确知信道上所传的明文信息。从数学的角度来讲，一个密码系统是一族映射，它在密钥的控制下将明文空间中的每一个元素映射到密文空间上的某个元素。这族映射由密码方案确定，具体使用哪一个映射由密钥决定。经典保密通信基本上都是计算上，其安全性基于某些数学假设或计算复杂度。随着计算机计算能力的指数级提高，传统密码术的安全程度已无法满足人们对通信的安全需要。而量子通信将量子力学定律引入传统通信中，依赖由量子力学所建立的一组否定性规则，如未知量子位不可克隆、非正交量子态不可识别、量子态的测量无法不扰动系统状态等，便可实现绝对安全的通信，使得一有窃听则会迅即被发现，一有攻击则会迅即被探测，从而有力地保证了信道安全性。1 3 量子密码通信技术的发展状况2 0 世纪最主要的革命性科学成果包括：相对论，量子力学，信息理论，相对论的成就已经得到公认，而最近几十年量子力学和信息科学相结合，诞生了一门崭新的学科量子信息学“h 1 1 ”，包括量子通信和量子计算两个部分。量子信息学中发展速度最快的分支学科就是由量子力学基本原理保证安全性的密码通信即量子密码 更精确地，应该称之为量子密钥分发( q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n ) ，不过使用“量子密码”( q u a n t u mc r y p t o g r a p h y ) 这个众所周知的术语并不妨碍我们的描述，在下文中我们将始终使用这个名词1 “”，这个量子力学奇特的性质可以简单的表述为：不可能进行不扰动系统的测量。在经典密码系统中，非对称的公钥密码系统例如r s a 5 等其安全性是基于大数因子分解，然而s h o r 算法“”表明，量子计算机的诞生将彻底打破这些系统的安全性，相比较而言，对称性的私钥密码系统如d e s 、a e s 、i d e a 等比公钥系统成本更低，速度更快，但是存在着分发密钥容易被窃听的问题。解决这些问题的方法就是采用量子密钥分发的手段以及利用v e m a n 密码“”即一次性( o n e - t i m ep a d ) 密码进行加密和解密，也就是量子密码系统。近些年来，量子密码的理论、实验、实用化方面发展非常迅速，甚至已经有相关的量子密码产品问世可以毫不夸张地说，量子密码是量子信息中第一个可以进行商业化应用并有可能改变未来安全通信方式的领域。量子密码的第一个协议是在1 9 8 4 年的一次i e e e 会议上由b e n n e t t 和b r a s s a r d 提出，通常称之为b b 8 4 协议“，我们简单介绍其原理过程：协议使用二能级系统的两套基矢四个量子态例如光子的极化态i h 、j v 以及j 十 、卜 来实现，其中的两种量子态如l h 、l + 编码为“o ”而另外两种为。1 ”；作为通信双方之一的a l i c e 随机发送量子态给b o b ，而b o b 也随机选择h v 或+ - 测量基矢：很明显，只有双方采用相同基矢他们才会获得相关的结果，通信完毕后，b o b 获得大量的原始密钥( r s wk e y ) ，然后b o b 通过经典信道公开自己的测量基矢，而a l i c e 获得b o b 测量信息后也公开自己是否采用和b o b 相同的基矢，双方仅仅保留基矢相同的密钥，通常称之为筛选密钥( s i f c dk e y ) ；进一步地，双方可以通过经典密码系统的纠错( e r r o rc o r r e c t i o n ) 、隐私放大( p r i v a c ya m p l i f i c a t i o n ) 等技术降低密钥的错误率，提高密钥的安全性。b b 8 4 协议刚提出时并没有得到重视，但是在最近十年却极大的促进了量子密码理论和实验方面的发展，成为整个量子密码领域的基石。另外，关于b b 8 4 协议的安全性，已经有人给出证明”“”。除了b b 8 4 协议外，其他的量子密码协议有：两态协议( t w o s t a t ep r o t o c 0 1 ) “”、六态协议( s i ) 【s t a t ep r o t o c 0 1 ) ”卜 2 1 1 、基于纠缠光子的e k e r 9 1 协议恤1 、多种b b 8 4 变种协议以及最近有人提出的差分相移协议( d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tp r o t o c 0 1 ) 汹1 等。从目前通过光学手段4实现的一系列量子密码实验来看，实验中所采用的源主要有单光子源( 或者称为弱激光脉冲源) 和纠缠光子源两种，通信信道主要是光纤信道或者自由空间信道，编码方式有极化编码、相位编码、频率编码等多种方式。下面我们将介绍近些年来比较具有代表性和重要性的量子密码实验，并对不同实现方式的优点和缺点进行说明。量子密码的第一个演示性实验是由b e n n e t t 等人在1 9 8 9 年完成的( 文章是在1 9 9 2 年发表) “1 ，从那以后，国际上很多小组开始这方面的工作，主要实现的手段也是以光子作为载体，这是因为一方面光子和环境的相互作用退相干( d e c o h e r e n c e ) 比较容易控制，另一方面，可以利用传统光通信的相关器件、技术、工具等，这也是量子密码最先使用光纤信道的主要原因。第一个极化编码光纤量子密码实验是由日内瓦大学小组o i s i n 在1 9 9 3 年完成的瞄，距离达到l k m ，所采用的单模光纤截止波长为8 0 0 n m ( 这里需要说明一下，8 0 0 n m波长又被称作第一通信波长，因为这是光通信历史上最早采用的波长，这个波长最大的好处就是有成熟的光源和探测器技术，但是其致命的缺点就是光纤衰减大，所以现在的长程光通信波长一般选择衰减更小的13 0 0 n m 或者15 5 0 n m 波长，通常称之为第二、第三通信波长) 。实际上这个波长更适合于通过非线性晶体自发参量下转换技术( s p o n t a n o o u sl 咖 a m e t r i cd o w nc o n v e r s i o n ) 产生的极化纠缠光子对( p o l a r i z a t i o ne 丑t a l l g l 锄舶tp b o t o np a i r s ) 的光纤量子密码。实际上，这个实验直到2 0 0 0 年才由奥地利z e i l i n g e r 小组完成“1 。相比于第一通信波长，更多的光纤量子密码实验是在l3 0 0 h m 或1 5 5 0 h m 通信波长( 习惯上，这两个波长简称为通信波长) 完成的。而同样地，第一个基于极化编码的通信波长量子密码实验也是由c r i s i n 小组在1 9 9 6 年通过日内瓦湖底的光纤完成的。“，距离为2 3 k m 。从此，大量利用不同手段和技术的通信波长量子密码实验相继开始展开。如爱尔兰t o w n s e n d 小组利用被动光纤网络实现的多用户量子密码”1 、利用光纤多路复用技术实现的量子密钥和经典数据同步传输等等。除了极化编码，在光纤中经常采用的是另外一种编码方式是相位编码。相位编码的概念最初是由b e n n c 啦在1 9 9 2 年两态协议的文章中提出的”，其基本思想是态制备和态测量都是在干涉仪中完成，不同的相位对应不同的编码。此后，更多的相位编码方案相继提出如双m a e h - z e h n d e r 干涉仪( d o u b l em a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e _ t e r ) 、即插即用系统( p l u g a n d - p l a ys y s t e m ) 、基于能量一时间纠缠( e n e r g y t i m ee n t a n g l e m e n t ) 相位编码及相位一时间编码( p h a s e t i m ec o d i n g ) 等等。相位同步和系统稳定性是相位编码最大的障碍。值得一提的是，最近g i s i n 小组的即插即用光纤量子密码系统己经把光纤长度提高到6 7 k m ，这一也是日前量子密码领域里唯一产品化的方案。但是光纤也存在很大的缺陷，最主要因素就是中单模光纤中的双折射效应以及光纤损耗。光纤中心附近存在的应力分布以及光纤几何的非对称将会使得光纤中传输的两个正交极化态的光子产生不同的相速度也就是双折射效应，这种效应在光纤工程中经常被有意制造成特殊功能的光纤如保偏光纤( p o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n gf i b e r ) ，但这种保偏光纤并不能解决光纤双折射引起的对光纤量子密码影响最大的极化模式色散( p o l a r i z a t i o nm o c kd i s p e r s i o n ) 效应。因为保偏光纤只能保持某个特殊方向的极化而不是5任意极化方向。简单地说，就是光纤中不同极化模式具有不同的传输速度，从而通过光纤的传输时间不同，出射的极化态和入射的极化态也不完全相同。这里需要特别提到一下的是，虽然由于单模光纤的种种原因使其不利于基于极化纠缠光子对的量子密码。但最近加拿大滑铁卢大学的l a n a m e 小组提出利用极化模式的时间延迟方法来克服单模光纤双折射效应引起的退相干。当然，除了极化模式色散效应，单模光纤中还存在着其它次要的非对称效应如几何相位( g e o m e t r i cp h a s e ) 、极化相关损耗( p o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tl o s s ) 等，这些效应对光纤量子密码影响不是很大。在实验中光纤这些双折射效应是通过自补偿装置( s e l f - c o m p e n s a t i n gc o n f i g u r a t i o n s ) 来消除的，如前而提到的g i s i n 小组的即插即用系统就是用法拉第镜( f a r a d a ym i r r o r ) 来被动补偿光纤极化波动从而提高系统稳定性。另一方而，虽然通信波长的光纤比8 0 0 n m 波长的光纤衰减要小得多，但是光纤衰减对长距离光纤量子密码还是有着本质的影响，由于背景噪声、探测器技术、单光子源或者纠缠光子源的不完美性等原因限制了光纤信道的通信距离，最大距离大约在1 0 0 k i n 左右。事实上，由于纠缠光子源的亮度限制使其很难用来作为长距离光纤通信，单光子源是比较现实的方案，但是为了防止如光子数攻击( p h o t o nn u m b e rs p l i t t e ra u a c k ) 等窃听策略其每脉冲平均光子数( m e , a np h o t o nn u m b e r ) 不能太高，同时日前探测器探测效率的不完美导致长距离光纤量子密码的密钥生成速度很难达到理想要求，目前光纤量子密码的光纤最远距离是1 2 2 k m ，是由t o s h i b a 欧洲研究中心在2 0 0 4 年完成的。为了解决长距离光纤量子通信中光子损耗以及双折射引起的退相干效应带来的最大距离限制，量子中继器( q u a n t u mr e p e a l e l ) 和自由空间量子密码( f r e es p a c eq u a n t u mc r y p t o g r a p h y ) 是两种比较可行的方案。量子中继器方案包括纠缠制各( e n t a n g l e m e n tp r e p a r a t i o n ) 、纠缠交换( e n t a n g l e m e n ts w a p p i n g ) 、纠缠纯化( e n t a n g l e m e mp t t r i f i e a t i o n ) ，量子存储器( q u a n t u mm e m o r y ) 等部分，利用这个方案可以在遥远两地制备高品质的纠缠态，从而可以用于量子通信。近些来年，这方面的实验进展非常迅速。另外一种解决长距离光纤通信问题的方法是基于人造卫星的自由空间量子密钥分发，其基本思想是，在地面上制备好单光子源或者纠缠光子源，通过望远镜装置发送到人造卫星上，然后反射到其他卫星或者地面的其他地点，从而完成自由空间信道的建立。实际上，由于整个大气层厚度衰减等效于地面大气长度只有5 k m 左右，而在外太空的衰减基本可以忽略不计，所以如果纠缠光子在地面大气分发距离能够超过1 0 k m 的话( 这里的意思是指通过1 0 k i n 距离以后依然能够在有限时间内获得令人满意的纠缠光子对数量) ，那么理论上地面和卫星之间的量子通信是完全可行的，从而未来的全球化量子通信的可行性得到验证。自由空间信道的另外一个重要的优势是大气中本质上不存在双折射效应，同时大气传输损耗曲线表明在纠缠光子波长范围内( 目前实验上纠缠光子的波长均在7 0 0 r t m 8 0 0 r i m 内) 信道的传输损耗是相当小的，另外这个波长范围内成熟的探测器技术、弱色散效应等都给自由空间量子密码实验带来便利的条件。但是，背景光噪声( b a c k g r o u n dl i g h t sn o i s e ) 、大气扰动( a t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e ) 带来的到达时间偏差6( a r r i v a l - t i m ei i t t e r ) 和光斑晃动( b e a mw a n d e r ) 光斑发散( b e a md i v e r g e n c e ) 、天气能见度( w e a t h e rv i s i b i l i t y ) 、信号同步等等多种因素将会给自由空间信道量子密码带来一系列问题，后面我们还会详细的讨论。在自由空间量子密码实验方面，目前国际上有多个小组开展这方面的工作，如美国l o sa l a m o s 国家实验室的h u g h e s 小组、英国b r i s t o l 大学的r a r i t y 小组、德国慕尼黑大学的w e i n f u r t e r 小组、奥地利维也纳大学的z e i l i n g e r 小组、中国科学技术的潘建伟小组等等。自由空间量子密码实验最早是由h u g h e s 小组在2 0 0 0 年完成【”，距离为1 6 k m ，采用单光子源方案。实际上在2 0 0 3 年z e i l i n g e r 小组完成6 0 0 m 自由空间纠缠光子分发“1 ，之前的所有自由空间实验中包括2 0 0 1 年r a r i t y 小组的1 9 k m 自由空间密码嘲、2 0 0 2年h u g h e s 小组1 0 k m 白天自由空间量子密码、2 0 0 2 年w e i n f u r t e r 小组的2 3 4 k m 自由空间量子密码1 ( 这也是目前自由空间量子密码最远距离) 等等都是采用单光子源的方案。欧洲在b b 8 4 及b 9 2 协议的基础上发展了以光纤为基础的量子密钥分发实验，并在光纤系统中成功实现了量子密钥的生成与分发。目前更长距离的量子密钥分发系统正在美国和欧洲筹建。在该技术上领先的公司以及几家新兴公司正逐步加入大学和科研院所攻克难关的行列。m a 翊q 公司已经开发出一种商用的量子密钥传输和加密系统，其产品n a v a j o 安全网关是世界上第一个在现有的光纤线路上使用的商用级量子密钥传输系统，该系统可以进行最高达每秒l o o 次的量子密钥传输。i d q u a n t i q u es a 和w o r l di n t e r a c ts e c u r ek e ys a 等两家瑞士公司以及国际电子交易安全组织( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o r t h es e c u r i t y o f e l e c u o n i c t r a n s a c t i o n s ) 都提出将在世界范围内完成不可破解量子密钥传输所需的基础设施。m m 公司和n e c 公司正分别通过自己的a l t o a d c n研究中心和n e c 研究院，对量子加密技术迸行研究。另外，电信巨人v e d z o n 通信公司也通过其子公司b b n 科技公司涉足这一领域，该公司正在与西北大学共同开发在互联网上运行的光纤网络商用量子加密系统的样机。在中国，量子密码的研究也取得了很大的进步。中国科学院物理研究所于1 9 9 5 年以b b 8 4 方案在国内首次报道了用偏振编码实现的量子密钥分配的演示性实验。华东师范大学用b 9 2 方案做了实验，但也是在距离较短的自由空间里进行的。2 0 0 0 年，中国科学院物理研究所与中国科学院研究生院合作，在8 5 0 n m 的单模光纤中完成了1 1 k m 的量子密码通信演示性实验。2 0 0 2 年5 月中国科大量子信息实验室郭光灿小组采用b 9 2 协议，完成了光纤中1 7 k i n 的量子密钥传输实验，同年的7 月，又改用b b 8 4 协议，用同样的实验装置实现了1 4 8 k m 的密钥传输距离。为了增加传输距离以及与将来实际通信系统的兼容性，2 0 0 3 年，该实验小组通过改造的系统，完成了极限传输距离接近5 0 k m 的实验研究。2 0 0 3 年2 月该小组又在3 2 k m 的中科大东西校区之间通过地下光缆，建立了国内第一条基于量子密码的保密通信线路，为量子通信走向实用迈出了可喜的一步。另外，还提出了“实用量子处理器”和“信道加密”两个新的实施方案。最近，该实验室又完成了室内1 2 m 的自由空间量子密钥分配，并创造了目前光纤中量子密钥传输距离的1 6 0 k i n 的新记录，而且还在试图让这个距离增加。量子通信的应用前景非常广泛，尽管其基本框架已经成型。研究业已取得日新月异、令人叹为观止的进步，但还存在着许多理论与技术上亟待解决的问题。诸如，如何有效地产生多粒子纠缠态，如何使纠缠态不受环境的影响，使传送的量子信息尽可能少地泄露到环境中去，提高保真度等问题如何增加量子密钥传输距离，如何研制出红外单光子计数器及单光子光源，如何通过多途径来探索实现可扩展的量子逻辑网络的方法等问题；理论上有关纠缠的特性及其度量问题也远未解决。然而，这更加启发人们进一步去认识和揭示量子力学的奇妙特性，去探索和开拓具有一定实用价值的量子通信技术的发展与应用。我们坚信，不久的将来，量子通信一定会有突飞猛进的发展!1 4 论文研究目的和意义1 3 1 研究目的：设计一种新型量子密码通信用i n n 单量子点单光子源探测系统。1 3 2 研究意义：量子密码通信是近年来发展起来的一种绝对安全的密钥分发技术，目前阻碍量子密码通信走向实用的主要问题是缺少高效的信息载体单光子源。国际上正在大力开展半导体量子点材料制作单光子源的研究，但是现在电驱动的单光子源只能在低温下工作。近几年得到i n n 材料的禁带宽度是o 6 o 7 e v ，而不是一直认为的1 9 e v 。由于本征禁带宽度的减小，使得i n n 的发光波长达到了1 5 5 微米，这样就可以应用到长波长通信波段，使得光通信器件制各可选用的材料得到丰富。本项目主要研究对新型室温工作长波长i n n 量子点单光子源进行系统实验测试，所以需要设计一套自主装单光子源探测系统。目前，量子通信的实验研究正飞速发展，如何制作一套稳定、高效和低噪声的单光子探测装置是其研究的关键问题之一。现在使用的量子通信单光子探测的核心器件是雪崩光电二极管( a p d ) ，它是一种借助强电场作用使结型半导体产生载流子雪崩倍增效应的高灵敏度光电器件。对应不同的光谱响应，a p d 由不同的材料构成。它利用光子触发i n o a a s a p d 产生雪崩，并且为了不影响下一个光子的探测还要及时抑制雪崩；因此，控制驱动电路是单光子探测装置中极其重要的内容，所以设计套有效的a p d 探测系统才是掌握i n n 量子点单光子源特性的重要保证。因此，该项目具有十分重要的现实意义。3第二章量子密码通信原理量子密码通信充分利用了量子力学的特性，实现通信上绝对的保密，本章从量子比特开始，介绍了量子通信绝对保密的理论依据以及其发展状况。2 1 基本原理量子力学的基本原理保证了量子密码通信理论上绝对保密，本节里介绍有关这方面的量子力学特性。2 1 1 量子比特量子比特( q u a n t u mb i t ，一般称q u b i t ) 是和经典通信中的比特对应的，经典计算机中的数据被编码成一串代表数字1 和0 的二进制电子脉冲。其中每个数字被称为一个比特( 位) 。接收这些信号的逻辑设备对这些编码信号进行处理，输出的信号仍然用同样的二进制电子脉冲串表示。量子通信中同样可以用一个两量子态的物体表示0 和1 ，比如核或者电子自旋、光子的偏振、离子、量子点等。超大的存储能力。在经典计算机通信中，信息或者数据由二进制数据表示，每一个= 进制数据位的0 或1 由电平的高低决定，因此在经典计算机中，每个数据位要么是0 ，要么是l ，两者必居其一。但是由于量子力学中有叠加态( s u p e r p o s i d o n ) 的存在，所以数据位可能是0 ，也可能是l ，还可能同时是0 或者1 ，即量子通信中的二进制数据位是0 和l 的叠加态，口i o + 口 l 。正因为如此，对于n 个数据位的存储器，经典计算机只能存储n 个二进制数，而量子计算机能同时存储2 ”个二进制数。超快的运算能力“1 。对经典计算机来说，每一次操作只能对这n 个二进制数中的一个实行处理，而量子计算机能同时对2 个二进制数进行处理。这也是由于量子力学叠加态的存在，量子计算机实现了连续变量和真正意义上的并行计算。对于n 个量子位，量子计算机的叠加态可以表示为：妒) = e l9( 2 1 )对于等幅度的叠加态i 妒) = 了尹12 刍n - ic l i 工) ，可由l o o 一印作一个旋转z i o ：印一击d 州咖( 2 2 )i m d ) 斗( 击) l4 磅+ l 捌谚+ j 功4d ) + i 功= 专0 1 ) + i o o l o + 。+ | 1 1 _ 1 1 ) )：。2 j - ! i - l 守cx )( 2 3 )。、2 。函, i x )( 2 3 )如果用经典计算机计算函数f i x ) ，x 取1 ，2 ，l ，m 共m 个不同的整数，那么只能一个一个数计算，实际上是串行运算而不能达到并行运算。2 1 2 量子门量子信息处理是对编码的量子态进行一系列么正变换。对量子位最基本的么正操作称为逻辑门( 1 0 9 i cg a t e ) 。逻辑门按照它作用的量子位的数据可分为一位门、两位门和三位门等t a x i 。逻辑门的操作可以用对量子位的h i l b e n 空间基矢的作用定义如果一个么正操作演化基矢态位：o)-,io叫)1)-e1 、( 2 4 )“恤叫这个么正操作就是一个一位门。记基io ： ，1 1 ) = ? ，这个门操作就可用一个么正矩阵：；，表示，其中o - - o r 。容易验证p ( 0 ) i o = io ，p ( e ) 1 1 = e 帕1 1 ，所以这个门操作还可以用投影算子形式表示为p ( 0 ) = l o ，l l ) 满足正交归一化条件，不难验证：删o ) - q o ) p o ) 1 1 ) 。) ( 2 6 )。z 。0 j1 0由于p 操作改变两个基底态的对应相位，p 门称为位相门。一位门常用下面的“线路”图表示：1 几个重要的一位门图2 1 通用u 门( 1 ) 恒等操作i = 1 0 0 i这是一个恒等操作，矩阵表示为单位矩阵= ( 2 ) 非门x = l o ) ( 1 h 1 ) ( o i它的作用为x l o ) = i x )x 1 1 ) = 1 0 )对应着经典逻辑非门- - - - n o t 操作。它的矩阵表示为x = 正是p a u l i 矩阵i ，这也是把它记为x 的原因。( 3 ) 定义z 操作为z = p ( 兀)由式( 2 5 ) 得知z 操作的矩阵表示为z = 正是p a u l i 矩阵的o 一 z ，它的作用是改变态o 和il 的相对位相兀( 2 7 )( 2 9 )( 2 1 0 )( 2 1 1 )( 2 1 2 )( 2 1 3 )( 2 1 4 )( 4 ) 足义y 豫作y = z x注意到x = = 划所以y 操作可以用矩阵表示为y = ， 一= e其中瓦正是p a u l i 矩阵。( 5 ) 另外一个重要的一位门是h a d a m a r d 门，它的作用可表示为h = 击+ 1 1 ) ) ( o 忡) 一1 1 ) ) ( 1 1 h l o ) = 击do ) + j 1 ”v z川2 西iq o ) 一1 1 ) )用矩阵表示为h = 铷廿击2 两位门( 2 1 5 )( 2 i6 )( 2 1 7 )( 2 1 8 )( 2 1 9 )作用到两个位上的所有可能的么正操作中一个最有惹义的子集是l o ) ( o l o i 十1 1 ) ( 1 l 固u i( 2 2 2 )其中i 是一个量子位的恒等操作，u 是另外一个一位门。这样的两位i 称为控制u门( c o n t r o lu - g a t e ) ，第一量子位称为控制位，第二量子位称为靶位。控制u 门对靶位i 或者u ，决定于控制位处于f o 态还是1 1 态。例如控制一非门的作用是i o o ) _ 1 0 0 ) 1 0 1 ) 、- - “i o l 、) (223)1011 ) _ 1 1 ) i。叫1 1 1 - - , 1 1 0 j2当且仅当第一量子位处于态 l 时，才取第二量子位的逻辑非。控制一非门可以用下图表示。aba图2 2 控制非门图中a 、b 表示0 或者1 ，a o b 表示模2 加，即0 + 0 = i ，l + o = o + l = 1 ，l + 1 = o 。两量子位的态矢空间的基底可以由一个量子位基矢直积构造0 0 1 =lo ) =，f 0 1 ) =。1 1 1 ) = 在这组基下，控制一非门的作用可以用矩阵表示为3 三位门c 州=1001o 00 0o oo o0ilo( 2 2 4 )三位量子门中重要的一个就是3 位控制一控制u 门，即当且仅当第一、第二位都处于态j 】 时，才对第三量子位执行u 变换。他的线路图可以表示如下：一b二m图2 3 三位控制一u 门和t o f f o l i 门特别取u 为逻辑非，就得到经典的t o f f o l i 门。t o f f o l i 证明t o f f o l i 门对经典计算机是通用的，a h a l o r l o v 对t o f f o l i 门在量子计算机中也是通用的提出了一个简单证明“1 。t 0 f r o l i 门的作用是：。1 3工oloooo0110oo oo1o这个门的矩阵表示是；t =0 0 0 ) 0 0 0 )0 0 1 ) f 0 0 1 )0 1 0 ) - - 争 0 1 0 )0 1 1 ) - + 1 0 1 1 )1 0 0 ) 寸1 1 0 0 )1 0 1 ) - - - 1 0 1 )1 1 0 ) - - + 1 1 1 )1 1 1 ) _ 1 1 1 0 )1001o0oo0 o0o00oo当初始第三位制备在l0 态时，由式0ooooo 0000o o00 010o00o100 0o 0l00o 000l0 oo10( 2 2 6 ) 得到 0 0 0 ) - , i o o o )f o l o ) - - , t o l o )1 1 0 0 ) 一1 1 0 0 )1 1 1 0 ) - ) 1 1 1 )这个门输出的第三位是前两位a n d 给出实现a n d 操作的另一种形式。2 1 3 海森堡不确定原理海森堡不确定原理“”限定了我们在量子力学里可测量的范围。其原理可表述如下：设a 、b 是两个观察物理量。只有a b = b a 情况下他们才可以同时精确测量。我们把满足a a 鸡a 的两个观察量称为a 、1 3 对易，否则为非对易。并定义对易关系算符为【a , b 】= a b b a( 2 2 9 )这样定义了对易算符就可以表示为当且仅当 a ，b = 0 时a 和b 对易。再定义：a a = a 一( 2 3 0 )1 4这样海森堡原理可以用数学表示如下： 三1 1 a b j l 2这里 叩l ( a ) 2 1 q 是观察量a 的均方差，即测量a 的不确定度。所以，根据海森堡原理，如果两个观察物理量a 和b 不对易，则如果测量a 越精确时，就导致测量b 越不精确，反之亦然。这时就不能同时精确测量a 和b ，测量a( b ) 将会影响对b ( a ) 的测量。2 1 4 不可克隆定理在经典计算机中，信息的复制司空见惯，但是到了量子世界里，信息的复制可没那么简单。早在1 9 8 2 年，w o o t e r s 、z u r e k 和d i e k s 等人就指出“1 ：未知量子态不可能完全复制。可以理解为不存在一个克隆操作或者克隆机，对任意量子态复制为两个完全一样的独立的量子态。可以简单证明如下：用反证法。设1 由 代表任一初始量子态，lb 为待复制态。假如有一个克隆机m ，把量子态| b 复制为 由 ，也就是：1