（物理电子学专业论文）自由空间量子通信实验中远程光符合的电子学系统研制.pdfVIP

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 量子信息学是量子物理与信息科学交叉发展起来的新学科，由于具有经典信 息学无法比拟的优势和前景，近年来得到了广泛的关注和发展。量子通信是量子 信息学中发展最快的一个方向，有光纤和自由空间两种实现的技术路线。由于光 纤损耗大、色散、退极化等因素使得通信距离有限：而自由空间损耗小，退相干 效应小，大气层等效厚度只有5 公里，如果能突破这个距离，基于卫星方式的全 球化量子通信将成为可能，所以自由空间量子通信成了一个新的研究热点。 自由空间量子通信实验基于纠缠源，通常采用i i 型参量下转换产生极化纠缠 光子对，实验的难点是纠缠光子对的判定，电子学系统的任务就是通过时间上的 符合来实现纠缠光子对的判定，其主要性能指标是最小符合时间窗口。在已经完 成的1 3 公里自由空间纠缠光子分发实验中，使用了同步光离线符合方案，最小 符合时间窗口约为2 0 n s 。为了完成2 0 公里量级自由空间量子隐形传态实验，专 门设计了一套在线远程光符合的电子学系统，能使最小符合时间窗口达到2 n s ， 可以在很大程度上减小本底光引起的偶然符合，提高符合计数率。 在本论文的工作中，完成了组建在线远程光符合的电子学系统所需要的甄 别、延时、计数、符合四个通用标准n i m 插件的研制。四个插件按产品化设计， 可以批量生产，并在量子通信实验中完全取代现有国外进口o r t e c 公司的相关 产品。其中甄别模块性能指标：四通道，每通道三路n i m 输出，输出脉冲宽度 3 n s 2 0 0 n s 可调，晃动小于3 5 p s 。延时模块性能指标：两通道，每通道最大延时 量约l u s ，最小步长约2 5 p s ，n i m 输出脉冲宽度3 n s - 2 0 0 n s 可调，晃动小于5 0 p s 。 计数模块性能指标：八通道，最大计数率1 7 0 m h z ，最小输入脉冲宽度约2 n s ， 输入正负信号皆可。符合模块的性能指标：两通道，每通道可以实现四路信号符 合或反符合，符合有n i m 输出和1 r l 输出，符合响应时间小于2 n s 。 为了在计划的2 0 公里量级自由空间量子隐形传态实验中实现实时同步幺正 变换，需要对克尔盒进行控制。克尔盒是利用克尔效应，由电压控制的可变波片， 其控制电压约8 0 0 v ，驱动克尔盒需要设计专门的高压驱动模块。在本论文工作 中设计的高压驱动模块最大重复频率可达1 0 0 k h z ，可以满足实验中将本地贝尔 基测量结果传到远端控制克尔盒的计数率要求。 在计划的2 0 公里量级自由空间量子隐形传态实验中，为了建立经典信道和 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 完成纠缠光子对的符合判定，需要将本地贝尔基测量结果的时间标记信息和通道 编码信息同时传送到远端，我们设计了一套编码和解码系统。编解码采用奇偶校 验方式减少自由空间传输引起的误码，采用汉明码纠正自由空间传输引起的一位 码元错误。 为了检验设计的在线远程光符合的电子学系统可以用于计划的2 0 公里量级 自由空间量子隐形传态实验，我们在清华大学校园内完成了8 0 0 米自由空间量子 隐形传态实验，整套在线远程光符合的电子学系统工作完全正常。 本论文工作的主要创新之处在于： ( 1 ) 首次建立了自由空间量子通信实验中在线远程光符合的电子学系统， 并采用该系统完成了8 0 0 米自由空间量子隐形传态实验。 ( 2 ) 首次实现了量子通信实验中贝尔基测量结果的毫微秒量级时间标记信 息和通道编码信息同时在自由空间中传送。 ( 3 ) 首次将汉明码引入量子通信实验中的自由空间数据传输，纠正因大气 抖动而引起的一位码元错误。 ( 4 ) 首次在自由空问量子通信实验中实现实时同步幺正变换。 i i i 中国科学技术大学博士学位论文a b s t r c t a b s t r a c t q u a n t u mi n f o r m a t i o ni sa ni n t e r d i s c i p l i n eb e t w e e nq u a n t u mp h y s i c sa n di n f o r m a f i o n s c i e n c e b e c a u s eo ft h es u p e r i o ra d v a n t a g ea n dt h eb r i g h tf o r e g r o u n d q u a n t u m n f o r m a t i o nh a sb e e nw i d e l ye m p h a s i z e da n dd e v e l o p e d q u a n t u mc o m m u n i c a t i o nj st h e m o s td e v e l o p e df i e l d i n c l u d i n gt h r o u g hf i b e ra n df r e es p a c em e d i u m s f o re f f e c t so ft h e l i g h ti o s s d i s p e r s i o na n dd e p o l a r i z a t i o nt h r o u g hf i b e r , t h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ei s 1 m - i e d i nf r e es p a c e t h el o s s ，d e c o h e r e n c ee f f e c t sa r es m a l l t h ea t m o s p h e r ee q u i v a l e n t t h i c k n e s si so n l yf i v ek i l o m e t e r s j ft h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ec a nb e e nb r o k e n s a t e i t e - b a s e dg l o b a iq u a n t u mc o m m u n i c a t i o nw i b ep o s s i b l e s ot h ef r e e s p a c e q u a n t u mc o m m u n i c a t i o nb e c o m e san e w f o c u sr e s e a r c hf i e l d t h ef r e e - s p a c eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ni sb a s e de n t a n g l e m e n ts o u r c e u s u a l l yw e g e n e r a t ep o l a r i z a t i o ne n t a n g l e dp h o t o np a i r sb yt y p ei ip a r a m e t r i cd o w n c o n v e r s i o n o n e o fd 酾c u r i e so ft h ee x p e r i m e n ti st of i g u r eo u tt h ee n t a n g l e dp h o t o np a i r s t h et a s ko f e l e e t r o n j cs y s t e mi st of i g u r eo u tt h ee n t a n g l e dp h o t o np a i r sb yt i m ec o i n c i d e n c ea n dt h e m a i np e r f o r m a n c ei n d e xi st h em i n i m a lw i d t ho f t i m ec o i n c i d e n c ew i n d o w i nt h ef i n i s h e d e x p e r i m e n to ff r e e - s p a c ed i s t r i b u t i o n o fe n t a n g l e dp h o t o np a i r so v e r1 3k i l o m e t e r s t h e s y r n c h r o n o u sl i g h to f f i i n ec o i n c i d e n c es c h e m ei su s e d a n dt h em i n i m a lw i d t ho ft i m e c o i n c i d e n c ew i n d o wi sa b o u t2 0 n s i no r d e rt oc o m p l e t et h e2 0k i l o m e t e r sf r e e - s p a c e q u a n t u mt e l e p o r t a t i o ne x p e r i m e n t d e s i g n e da no n l i n er e m o t el o n g - d i s t a n c ep h o t o n c o i n c i d e n c ee l e c t t o n i cs y s t e m a n dt h es y s t e m sm n i m a lw i d t ho ft i m ec o i n c i d e n c e w i n d o wi s2 n s i tc a ns u b s t a n t i a j l yr e d u c ea c c i d e n 招lc o i n c i d e n c ea n di m p r o v e m e a s u r e m e n ta c c u r a c y i nt h ew o r ko ft h i st h e s i s t oe s t a b l i s ht h eo n l i n er e m o t el o n g - d i s t a n c ep h o t o n c o i n c i d e n c es y s t e m ，w ed e s i g n e df o u rg e n e r a lp u r p o s en i mm o d u l e s ， i n c l u d i n g d i s c r i m i n a t o r m o d u l e d e l a ym o d u l e 。c o u n t e rm o d u l e ，c o i n c i d e n c e m o d u l e t h e d i s c r i m i n a t o rm o d u l e sp e r f o r m a n c e ：t o u r - c h a n n e l e a c hc h a n n e it h t e en i mo u t p u t ，o u t p u t p u i s ew i d t hj s3 n s 一2 0 0 n sa d j u s t a b l e t i m ej i r e rj si e s st h a n3 5 p s t h ed e i a ym o d u l e ，s p e r f o r m a n c e ：f o u r - c h a n n e l e a c hc h a n n e im a x i m u md e l a yi sa b o u t1u s 。s m a l l e s ts t e pi s a b o u t2 5 p s n i mo u t p u tp u l s ew i d t hi s3 n s 一2 0 0 n sa d j u s t a b l e ，t i m ej i t t e ri si e s st h a n5 0 p s t h ec o u n t e rm o d u l e sp e r f o r m a n c e ：e i g h t - c h a n n e l m a x i m u mc o u n tr a 塘i s1 7 0 m h z m i n i m u mi n p u tp u l s ew i d t hi sa b o u t2 n s i n p u ts i g n a lc a nb ep o s i t i v eo rn e g a t i v e t h e c o i n c i d e n c em o d u l e sp e r f o r m a n c e ：t w o - c h a n n e l e a c hc h a n n e ic a nf i n i s hf o m r c o i n c i d e n c eo ra n t i c o i n c i d e n c e 。n i mo u t p u ta n dt t lo u t p u t r e s p o n s et i m ei si e s st h a n 2 n s t of i n i s hr e a l - t i m eu n i t a r yt r a n s f o r m a t i o ni nt h e2 0k i l o m e t e r sf r e e - s p a c eq u a n t u m t e l e p o r t a t i o ne x p e r i m e n t w en e e dt oc o n t r o lp o c k e l sc e l l s p o c k e l sc e l li sav a r i a b l ew a v e p l a t ec o n t r o l l e db yv o l t a g e ，t h ec o n t r o lv o l t a g ei sa b o u t8 0 0 v t od r i v ep o c k e l sc e l ln e e d s t od e s i g nas p e c i a l i z e dh i g h - v o l t a g ed r i v e rm o d u l e i nt h ew o r ko ft h i st h e s i s t h e d e s i g n e dh i g h - v o l t a g ed r i v e rm o d u l e sl a r g e s tr e p e t i t i o nr a t ei su pt o1 0 0 k h z m e e t i n g 中国科学技术大学博士学位论文 t h el o c a lb e l ls t a t em e a s u r e m e n tr e s u l t sc o u n tr a t ar e q u i r e m e n ti nt h ee x p e r i m e n f 1 nt h e2 0k i l o m e t e r sf r e e - s p a c eq u a n t u mt e l e p o r t a t i o ne x p e r i m e n t t oe s t a b l i s h c l a s s i cc h a n n e la n df i n i s ht h ef i g u r eo u to ft h ee n t a n g l e dp h o t o np a i r s 。w ed e s i g n e da c o d e ra n dd e c o d e rs y s t e mt ot r a n s f o r mt h el o c a lb e l is t a t am e a s u r e m e n tr e s u l t st i m e f l a gi n f o r m a t i o na n dc h a n n e ic o d ei n f o r m a u o nt or e m o t ee n d c e d e ra n dd e c o d e ru s e p a d t yc o d ea n dh a m m i n gc o d et or e d u c et h ee f f o rc o d eb r o u g h tb yt h ef r e es p a c e t r a n s m i s s i o n i no r d e rt ov a l i d a t et h eo n l i n er e m o t el o n g d i s t a n c ep h o t o nc o i n c i d e n c ee l e c t r o n i c s y s t e mc a nb eu s e di nt h e2 0k i l o m e t e r sf r e e - s p a c eq u a n t u mt e l e p o r t a t i o ne x p e r i m e n t ， w ec o m p l e t e dt h e8 0 0m e t e r sf r e e s p a c eq u a n t u mt e l e p o r t a t i o ne x p e r i m e n ti nt s i n g h u a u n i v e r s i t y , a n dt h ew h o l eo n l i n er e m o t el o n g d i s t a n c ep h o t o nc o i n d d e n c oe l e c t r o n i c s y s t e mc a nw o r kw e l l m o s to fk e yi n n o v a t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef i r s tt i m e ，a no n l i n er e m o t el o n g - d i s t a n c ep h o t o nc o i n c i d e n c ee l e c t r o n i c s y s t e mi nq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n tw e r ee s t a b l i s h e d ，a n du s i n gt h es y s t e m w ec o m p l e t e dt h e8 0 0m e t e r sf r e e - s p a c eq u a n f f i mt e l e p o r t a t i o ne x p e r i m e n ti nt s i n g h u a u n i v e r s i t y ( 2 ) t h ef i r s tt i m e ，b e l ls t a t em e a s u r e m e n tr e s u l t sn a n o s e c o n dt i m ef l a gi n f o r m a t i o n a n dc h a n n e lc o d ei n f o r m a t i o ni nq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n tw e r et r a n s f o r m e d i nf r e es p a c e ( 3 ) t h ef i r s tt i m e ，h a m m i n gc o d ew a si n t r o d u c e dt oq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n e x p e r i m e n tf o rd a t at r a n s f o r mi nf r e es p a c e ，w h i c hc a nc o r r e c to r eb i te r r o rc o d eb r o u g h t b ya t m o s p h e r i cj i t t e r ( 4 ) t h ef i r s tt i m e ，t h er e a l - t i m eu n i t a r yt r a n s f o r m a t i o nw a sr e a l i z e di nf r e e - s p a c e q u a n t u mc o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n t ， v 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：挪歪嶂 、 卿牛月吁e t 中国科学技术大学博士学位论文 第一章引言 第一章引言 量子力学从上世纪初建立至今，已经成为现代物理学的两大支柱之一。它在 人类认识物质世界的思维过程中引进了崭新的革命性框架，成为人类拓展认识疆 界的利器。量子力学已经在认识各个物质层次( 微观粒子、凝聚态物质、星体乃 至整个宇宙) 的物理规律方面扮演了核心作用。与此同时，量子力学也是人类改 造世界、创造物质文明的利器。没有量子力学，现代物质文明的物质成就无法想 象。原子能的应用、激光的发明、对超导超流的认识和利用、半导体技术的大规 模发展等等，无一不是量子力学的产物【l 】。 虽然量子力学已经在人类文明史上取得了如此多的成就，但是，关于量子力 学是否完备这一问题在学术界还存在着争论。早在量子力学诞生之初，爱因斯坦 等人就对其概率本质提出了质疑【2 】，爱氏引入了量子纠缠这一量子力学特有的 物理现象来论证量子力学基础的不完备。这之后，人们提出了各种理论模型，并 且利用各种实验手段试图解决这一问题【3 】。 随着对量子力学基础的深入研究，人们惊奇地发现量子力学中的基本原理 ( 如量子态叠加原理) 和基本概念( 如量子纠缠) 可以和信息科学、计算机科学 结合起来，实现经典信息论和经典计算机所不能完成的信息处理任务，比如绝对 安全的量子密码【4 】，量子态隐形传输【5 】，能够破解现有密钥系统的量子算法【6 等等。目前量子信息论已经在实验室中得到了广泛的研究，并且在量子密码方面 有了初步的应用，它为量子论的实际应用带来了全新的更为广阔的前景。同时， 通过与信息论的交叉，量子信息论也为量子论提供了一个全新的视点和生长点， 对它的深入研究必将拓展和深化量子论本身。与以前应用量子力学完全不同的 是，在量子信息论中人们利用的是量子态本身，其基本任务是量子态的制备、存 储、操纵、传输和读出。量子信息论的发展很可能会导致一个全新的量子技术时 代【1 】。 量子纠缠在量子信息的研究中处于核心地位，它是量子力学不同于以前经典 物理学的基本特征之- - p 。就是对量子纠缠的研究，才引发了人们对量子力学 基础问题的思考，同时量子纠缠又是量子密码【8 】、量子态隐形传输和量子计算 机的核心资源。而光子由于其具有与外界耦合小、传输速度快等优点，当仁不让 地成为了量子密码和量子通信的主要载体，同时由于操纵光子的线性光学技术具 有简单、超高保真度等优越性，也被认为是实现量子计算机的重要途径之- - 9 1 。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章引言 由此可见，对光予纠缠的实验研究在当下的量子信息论领域中具有重要的意义。 光子纠缠的实验研究中，纠缠光子对的判定需要电子学符合系统，为了完成 2 0 公里量级自由空间量子隐形传态实验，我们设计了一套在线远程光符合的电 子学系统，最小符合时间窗口约2 n s 。本论文的主要工作是量子通信实验中常用 电子学模块的设计和2 0 公里量级自由空间量子隐形传态实验中在线远程光符合 的电子学系统的建立。 本论文的结构组织如下： 第一章，引言，即本章。 第二章，简短地回顾量子信息的基本概念和研究现状，介绍量子光学中的基 本技术手段和2 0 公里量级自由空问量子隐形传态实验的原理。 第三章，介绍计划的2 0 公里量级自由空间量子隐形传态实验中远程光符合 的电子学系统设计，并简要介绍系统中的几个电子学模块的功能。 第四章，详细介绍量子通信实验中常用的甄别、延时、计数、符合模块等通 用电子学模块的设计以及进行相关的性能测试，并介绍计划的2 0 公里量级自由 空问量子隐形传态实验中专用的高压驱动模块的设计。 第五章，重点讲述专门为计划的2 0 公里量级自由空间量子隐形传态实验设 计的编码解码模块。 第六章，介绍在清华大学校园内完成的系统可行性实验，即8 0 0 米自由空 间量子隐形传态实验，并对以上的内容进行总结。 2 中国科学技术大学博士学位论文 第二章量子信息与量子通信 第二章量子信息与量子通信 量子信息是信息技术与量子物理学交叉形成的- f u 新兴学科，它的迅速发展 正日益受到各国科技界、工业界和国防部门的广泛重视。量子信息主要包括量子 通信和量子计算两个领域。量子计算的研究对象是量子计算机和适合于量子计算 机的量子算法。量子通信的研究对象是量子密码、量子隐形传态和解决远距离量 子通信的技术等。量子物理产生量子信息，量子信息反过来也促进量子物理学的 发展。 在本论文中，我们关注的重点是量子通信领域，本章我们简短地回顾量子信 息的基本概念和研究现状 1 0 1 2 ，介绍量子光学中的基本技术手段和2 0 公里量 级自由空间量子隐形传态实验的原n 1 3 1 。 2 1 量子信息的基本概念和研究现状 2 1 1 量子信息学简介 量子信息是由量子态所承载。量子信息研究的对象是那些在量子系统的演化 过程中所容许的信息处理过程。量子信息学利用微观粒子作为载体，利用微观世 界所特有的不同于宏观世界的量子现象，完成一些经典计算和经典通信无法实现 的功能，从而进入操控、存储和传输量子状态的崭新阶段。在量子信息中，经常 要处理的问题是在给定资源下，如何最优地实现一个量子信息处理任务。 量子信息与经典信息的区别：经典信息的基本单元是经典位( b i t ) ，又称比 特，有且只有两个状态o 和1 。量子信息的基本单元是量子位( q u b i t ) ，又称量 子比特，状态可以是口1 0 + 1 1 。经典位的状态可通过测量区分，量子位可以 处在两个状态的叠加态上，除非对它进行本征测量，否则不能确切区分这个态。 近l o 多年来，量子信息论从诞生到迅猛发展，量子态的隐形传态【5 ，1 4 ，1 5 1 、 量子纠缠交换【1 6 ，1 7 】、连续变量的隐形传态【1 8 ，1 9 1 、多体纠缠的实验室实现 2 0 - 2 2 、量子密码的实现【2 3 ，2 4 、量子力学和定域实在论之间矛盾的实验检验【2 5 ， 2 6 等等，这些实验和理论结果，显示出十分广阔的科学和技术应用前景。 中国科学技术大学博士学位论文第二章量子信息与量子通信 量子信息论的诞生和发展，反过来极大的丰富了量子理论本身内容，并且有 助于加深对量子理论的理解，突出暴露并可能加速解决量子理论本身存在的基础 性问题。借助这一新兴交叉学科的实验技术，改造量子力学基础，加速变革现有 的时空观念。 量子信息论在技术方面也有着重大影响。因为它的发展前景是量子信息技术 ( q i t ) 产业。在这方面大量、迅猛、有成效的探索性研究正在逐步导致以下各 色各样的新兴分支学科的诞生：量子位和量子存储器的构造，人造可控量子微尺 度结构，量子态的各类隐形传态，量子态的制备、存储、调控与传送，量子编码 及压缩、纠错与容错，量子中继技术，量子网络理论，量子计算机，量子算法等 等【2 7 】。 2 1 2 量子态叠加原理和量子纠缠 量子态叠加原理是量子力学不同于经典物理学的基本特征之一，同时也被认 为是量子物理的核心部分 2 8 】，它描述的是一个量子力学系统可以同时相干的处 于几个完全不同的状态中。关于单粒子系统的量子态叠加原理的实验研究，也就 是所谓的杨氏双缝实验，已经在包括光子、电子、中子和原子等系统广泛开展 f 2 9 。然而，人们发现，多粒子体系的量子态叠加一量子纠缠有着更多更有趣的 性质和更加广泛的应用。 量子纠缠，就是多粒子体系量子态的相干叠加。举例来说，两光子的极化 1 s i n g l e t 态就是一个著名的量子纠缠态：f 甲) = 去( 1 n ) t v ) 一i y x 厅) ) ，这个态由两 二 粒子量子态i 上) 和i v i i ) 叠加而成。量子纠缠是薛定谔于1 9 3 5 年发现的【7 】，一 经发现，量子纠缠就被爱因斯坦等人【2 】用来论证量子力学基础的不完备，从此 开始了其对量子物理学家们的长期困扰。近年来，量子纠缠作为新兴领域一量子 信息学的核心资源，在量子密码、量子通信、量子计算等实用领域中也发挥了巨 大的作用【3 0 】。 2 1 3 量子不可克隆原理和量子密码 量子态叠加原理可以说是量子信息论的根源，我们不但从该原理得到量子纠 缠的奇妙性质，还可以直接从量子态叠加原理出发，获得量子不可克隆定理 3 l 】， 该定理认为量子系统的任意未知量子态，不可能在不被破坏的前提下，以1 0 0 4 中国科学技术大学博士学位论文第二章量子信息与量子通信 的概率被克隆到另一量子体系上。 量子不可克隆定理可以直接被应用在量子密码的研究上，信息论表明，如果 有充分长的绝对安全的随机密钥，就可以利用“o n et i m ep a d ”的方法保证通信 双方的绝密通信【3 2 】，然而经典的r s a 密钥是不能保证通信双方享有绝密的密钥 的【6 】。量子力学尤其是量子不可克隆定理表明，可以利用微观粒子的量子特性 来进行密钥分配，可以保证密钥的绝对安全，从而完成绝密通信。 最早的量子密钥分配方案是b e n n e t t 和b r a s s a r d 在1 9 8 4 年提出的【4 】，他们 提出可以利用量子不可克隆定理所描述的不存在能够完美克隆两个非正交的不 同量子态的这一特性，进行量子密钥分配，他们利用光子的水平、垂直极化和 4 5 度线性极化两组非正交基矢进行通信双方的编码和解码，因为量子力学保证 任何窃听者的量子测量都会带来一定程度的量子塌缩，所以唯一可能的窃听途径 就是量子克隆，而由于对于这种非正交量子态的克隆是不完美的，必将带来通信 双方可以察觉的变化，这样，任何存在的窃听者都可以被探测出来，保证了绝密 通信的可能。 量子密码协议由于其简单易行，在被提出之后，得到了迅速的发展，而且也 被认为是量子信息学中最有可能被实用化的一个方向。目前实用的量子密钥分配 已经在自由空间和光纤中部取得了相当可喜的进展 3 3 】。 然而，由于现实通信状况的不完美和噪声的存在，所有的量子密码协议都会 受到噪声的影响，而这种情况带来的噪声跟有窃听者存在所带来的噪声是没有差 别的，所以要进行全球化量子通信，就必须克服这种噪声带来的影响。 2 1 4 量子态隐形传输 在科幻电影或神话小说中，常常有这样的场面：某人突然在某地消失，其后 却在别的地方莫明其妙地显现出来。从物理学角度，人们可以这样想象隐形传送 的过程：先提取原物的所有信息，然后将这个信息传送到接收地点，接收者依据 这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元( 如原子) ，制造出原物完美的 复制品。遗憾的是，从上一节我们知道，不能对任意未知的量子态进行复制，那 么有没有一种方式可以传送任意量子态，而不需要传输携带这个量子态的物质粒 子呢? b e n n e t t 等人于1 9 9 3 年提出的一个理论方案解决了这个问题【5 】，如图2 1 所 示，他们利用量子纠缠的概念绕过了量子不可克隆定理，完成了量子态隐形传输。 中国科学技术大学博士学位论文 第二章量子信息与量子通信 他们的方法是这样的，传送者a l i c e 想把一个未知的量子态 i z ) = 口l ) + 纠矿) ( 口，是任意常数，且满足h 2 + i p l 2 = 1 ) 传送给接收者 b o b 。他们共享一对b e u 态i + ) = 去( i ) ：1 日) 3 - 1 - i 矿) ：i 矿) ，) 。 a l i c e 首先对l ，2 两个光子进行b e l l 基测量，因为： i z ) ，l + ) ：，= 告( i + ) 。：i x ) ，+ i 矿一) ：免l z ) ，+ l + ) l ：或i z ) ，+ i y 一) ( 峨i z ) ，) ) ( 2 1 ) 图2 1 量子态隐形传输的示意图 a l i c e 手头有一个光子处于未知量子态，它希望将这个量子态( 即一个 量子比特的量子信息) 传送给远处的b o b ，但不传送作为信息载体的粒子 本身。a l i c e 和b o b 共享e p r 光子对和。a l i c e 对它手头上的纠缠粒子 和量子信息载体实施一种b e l l 基测量，有4 种可能的测量结果，a l i c e 测到 其中一个b e l l 态后，编码获得2 比特的经典信息。然后a l i c e 将测量结果( 即 获得哪一个b e l l 态) 经由经典信道传递给b o b ，b o b 在获知a l i c e 的测量编码 之后，对光子做相应的幺正操作，便可以使粒子处在与粒子原先未知 量子态完全相同的量子态上，这就完成了光子的未知量子态的量子隐形传 送。 所以，当l ，2 两个光子处于i 中+ ) 态时，3 光子的态就恰好是1 光子的态， 而当1 ，2 两个光子处于其他三个b e l l 态的时候，3 光子的态分别跟l 光子初始 态差一个泡利矩阵的幺正变换。于是在a l i c e 把自己的b e l l 态测量结果告诉b o b 的时候，b o b 就可以根据测量结果作相应的幺正变换，从而得到初始光子l 的态。 量子态隐形传输是一种全新的通信方式，它所传送的不再是经典的“o ”、“l ” 信息，而是一个量子比特的量子信息，而且这种传送方式的本身就保证了绝对的 安全特性，同时它还是“隐形”的，发送端甚至不需要知道接收端在哪里，同样 6 中国科学技术大学博士学位论文第二章量子信息与量子通信 可以完成量子信息的传送。 这种量子信息的隐形传送并不是超光速的传输，在此过程中经典通信是必不 可少的，单靠量子通道无法实现这种隐形传态，因此，此过程不会违背光速最大 原理。这个过程也不违背量子不可克隆定理，在a l i c e 施行量子测量时，粒子 的量子态必定被破坏而变成另一状态，因此，这个过程可以看作是未知量子态在 a l i c e 处消失掉，而在b o b 处重新出现，这不是量子克隆的过程，而是量子信息 的传输过程。 2 1 5 量子通信研究的最新进展 量子力学对信息科学和技术的应用，产生了量子通信和量子计算等新兴的交 叉学科。大体从上个世纪8 0 年代到现在，在量子通信和量子计算领域的研究过 程中，不断取得辉煌的成就。这些成就不仅引起各国物理学家的广泛关注，而且 引起了通信与计算机领域，以及国防安全专家们的高度重视。 目前量子通信主要以光子为信息载体，主要有极化编码方案和相位编码方 案。量子通信可以区分为光纤量子通信和自由空间量子通信两个方向。由于光纤 存在损耗和探测器探测效率的局限，目前最远的光纤量子通信只能做到1 0 0 多 公里 3 4 1 。但随着光子晶体材料的出现和高效率超导探测器的发明，将很快能建 立光纤量子通信局域网和延长光纤量子通信的距离。而利用纠缠光子实施自由空 间量子通信，其最终目标是通过卫星实现全球化量子通信。自由空间的信号衰减 主要是大气对光子的吸收造成的，目前自由空间纠缠量子密码的最远距离已经突 破1 3 公里 3 5 ，3 6 ，该距离超过了大气层的等效厚度( 约5 公里) ，证明了低轨 卫星量子通信的可行性。本论文涉及的2 0 公里量级自由空间量子隐形传态实验， 也是为了在量子隐形传态实验中突破大气层的等效厚度，进一步为全球化量子通 信奠定基础。 量子通信要求长程、高品质、高强度的纠缠光源。这需要掌握包括纠缠纯化、 纠缠交换和纠缠焊接的量子中继技术。同时还需要展开各类量子编码( 纠错码、 避错码、防错码) 研究，各类量子隐形传态研究，进而逐步创立完善的量子网络 理论。高亮度的单光子源也是量子通信所必需的，国际上这方面的研究也正在如 火如荼的进行。 7 中国科学技术大学博士学位论文第二章量子信息与量子通信 2 2 量子光学的基本技术手段 光子因为具有速度快，抗消相干性能好等优点一直被视为现代通信的唯一手 段【3 7 】；而量子光学成熟的实验技术和高保真度的光学器件则确保了对光子进行 量子操作的方便可行。目前的量子通信基本上都是利用量子光学的手段和器件对 载体光子进行的操作。我们的实验工作基本上是在量子光学的基础上展开的，我 们利用参量下转换技术产生极化纠缠光子对，利用波片、分束器、极化分柬器等 对光子进行变换和相干等操作，而利用单光子探测器对光子进行探测。这一节主 要讲述量子光学的基本技术手段，包括量子光学基本器件的描述，纠缠光予对的 制备和b e l l 态分析仪三个部分。 2 2 1 量子光学基本器件 分束器 分束器( b s ) 会把入射到其中的光子按照一定比例相干的分开输出，我们最 常用的是5 0 ：5 0 分束器，两路输出概率相等。如图2 2 所示，分束器有两个输入 模式a ，b ，两个输出模式c ，d ，在量子力学里面，满足下面的变换： 口) j 击咖万1i d ) 6 ) j 万1l c ) + 西i l d ) ( 2 2 ) 其中i 口) 表示光子是在空间模式a 中传播。无论从哪一路输入，都会在两个 输出口以5 0 的概率得到这个光子，而i 相位来自于半透片的反射【3 8 】。 图2 2 分柬器的工作原理 8 中国科学技术大学博士学位论文第二章量子信息与量子通信 极化分束器 常用的极化分束器( p b s ) 作用是让水平极化入射光子几乎全部透过，而让 垂直极化的入射光子几乎全部反射。若是其它角度的极化入射，用 盯i h + i v 表示，可以将其分解，对分解之后的分量进行透射或者反射，透 射得到j h 和反射得到i v 的概率分别是i 口1 2 和i 1 2 。这完全是选择性的透射 和反射。同分束器一样，反射后的分量有一个j 相位跳变。 极化片 p b 图2 3 极化分束器的工作原理图 极化片的作用是让与极化片极化放置角度秤的光子通过，吸收与之垂直的 光子，如果光子极化角度与极化片放置角度有个6 的夹角，光子将以i c o s 8 1 2 的 概率通过，以ls m a l 2 的概率被吸收。 极化片和极化分束器都会对通过它们的光子进行极化投影测量，所不同的是 极化片会吸收与其光轴方向垂直的光子，而极化分柬器则会反射与其光轴方向垂 直的光子。 半波片与四分之一波片 波晶片是从单轴晶体上切割下来的平面板块。其表面与晶体光轴方向平行。 这样，当一束平行光垂直入射时，电矢量振动与光轴垂直( 也就是与主平面垂直) 的入射光就是0 光；平行的是e 光。他们在晶体中传播的速度不同，这就产生 了相对的相移 a = p o - 纯= 2 - - ( n o - n ) d ，v ( 2 3 ) 9 中国科学技术大学博士学位论文第二章量子信息与量子通信 如果相移相应于半个波长，称为半波片( h w p ) ；相移相应于四分之一个波长， 称为四分之一波片( q w p ) 。 由两块四分之一波片夹一块半波片，可以完成对光子偏振态的任意操作【3 9 】， 见图2 4 图2 4 由两块四分之一波片和一块半波片组成的偏振态任意变化器，简称p r 克尔盒 波片是利用双折射现象，来对光子极化进行变换的光学器件。克尔盒( p o c k e l s c e l l ) 则是利用克尔效应，由电压控制的可变波片。具体原理是克尔盒中的晶体 对极化跟快慢轴一致的光子的折射率的差值会随着其自身的电压而产生变化，而 这个可变的折射率差值就会改变相位o ，具体的变换公式如下： = 丁2 ：r k ：w 2 ( 2 4 ) 其中，足是克尔效应常数，旯是真空中光子的波长，v 是克尔盒上的电压， 而d 是晶体的长度。 因为克尔盒具有反应快的优点，经常被用在量子通信实验中。 2 2 2 利用i i 型参量下转换产生极化纠缠光子 纠缠态是量子通信领域中最基本的要素。许多重要的量子通信方案如量子隐 形传态【1 5 】、量子密集编码【4 0 】、纠缠态量子密码【4 1 】等，都需要利用纠缠态。在 最近l o 年来，量子通信的实验领域有了重大的进展，包括量子隐形传态【1 4 】， 1 0 中国科学技术大学博士学位论文第二章量子信息与量子通信 纠缠交换【1 6 】、纠缠纯化【4 2 】等很多重要实验都已经被成功实现。在大部分的这 些实验中，都是利用光子的极化纠缠态来实现的。有几种方法可以产生光子的极 化纠缠态，包括后选择的方法、二次i 型参量下转换方法【4 3 1 、i i 型参量下转换 方法【4 4 】等几种方法。其中最为重要也是最为常用的就是i l 型参量下转化方法， 计划的2 0 公里量级自由空间量子隐形传态实验就是采用u 型参量下转换产生