（物理电子学专业论文）量子保密通信中若干关键器件的研制.pdf

摘要 摘要 量子力学是上世纪最伟大的物理发现之一，它揭示了微观下许多违反人类直 观的现象，开拓了人类的视野，扩展了人类的认知，并从此开创了一个全新的研 究领域。量子信息科学，正是利用了微观粒子所具的量子力学特性，并将它与传 统信息科学相结合而产生了一门全新的学科。在量子信息学中，量子保密通信可 以实现通信的绝对安全，具有经典保密通信所无法比拟的优势，有极高的实用价 值，基于光纤网络的量子保密通信也是目前量子信息领域唯一实现了实用化的一 个方向。这些特点，使量子保密通信的研究成为当今通信领域的热点，国内外各 大研究机构纷纷投入了大量的人力资源与研究经费，也使量子保密通信技术发展 的十分迅速。 在量子保密通信中，其设备硬件由电子学器件和光学器件所组成，本文主要 的研究内容为基于光纤通信的量子保密通信设备中激光源、同步系统和单光子探 测器等三个关键电子学器件的研制，同时也介绍了我们所做的两个光纤量子保密 通信的实验。 首先在本文的第一章简要的介绍了量子力学和量子信息的基础知识，介绍了 量子保密通信的历史和发展现状，以及量子保密通信中这三类电子学器件的关键 作用，指出了它们对整个量子通信系统性能的决定性影响。 在第二章中，较为详细介绍了光纤量子保密通信的基础理论概念和主要实现 技术，对保证通信的绝对安全量子力学原理、各类编码方案、实现光子加载量子 态的模式，以及可能存在的安全漏洞和防范等都有详尽的阐述。 第三章是我们研制单光子源的工作，介绍了自主研制的三类激光器，一为工 作在量子电话机系统中的窄脉冲激光器，作为量子电话机系统的信号单光子源同 步光源；二为远程量子密钥分发系统中的高速脉冲信号激光器，可满足远程量密 钥高工作频率的要求；三是为高速单光子探测器的测试系统平台特制的超窄脉冲 激光器，以适应高速单光子探测器的超窄门宽。 为了保障光纤量子保密通信系统达到高的成码率与低的误码率，通信双方必 须有一个极小时间晃动的同步系统，本文第四章就是我们研制该同步系统的工 作。我们通过波分复用的方法将同步光与信号光沿同一光路传输，使同步光与信 号光的相对晃动达到了最小，使用高时间分辨的光电转换器与甄别器，最终得到 了满足系统时间晃动的同步系统。 在光纤量子保密通信中，红外单光子探测器的工作频率已成为制约成码率与 通信距离提高的瓶颈，为解决这一难题，我们开展了研制高速红外半导体单光子 探测器的工作。在高速单光子探测器的研制中，微弱雪崩信号提取是关键之处， 摘要 也是一个难点，在本文中，我们使用带阻滤波器和自差分相消电路的方法，提取 了微弱的雪崩信号，并搭建了一整套高速单光子探测器的测试平台，对探测器的 各个性能作了一个较完整的测量。 在本文的最后，介绍了我们所做的两个光纤量子保密通信的实验，从整体实 验的角度进一步验证工作其间的电子学器件的性能。第一个实验是世界上首部基 于光纤量子保密通信的量子电话机实验，在该实验中，我们研制的窄脉冲单光子 源与同步系统发挥了关键作用，量子密钥的成码率满足了实时通话的要求；另一 个是实现了目前光纤量子保密通信最远距离的远程量子密钥分发实验，在该实验 中，以高速激光器作为单光子源，在2 0 0 k m 的距离成功的生成了密钥。 本文的主要创新点有： ( 1 ) 使用窄脉冲成形电路的方法调制半导体激光器，使激光脉冲宽度达到 l n s 以内，用精确的温度控制使激光器输出波长、线宽、功率等保持稳定。采用 高性能f p g a 和串并转换技术，实现了最高1 g h z 的电子学输出频率和5 0 0 m h z 激 光脉冲频率。采用高速雪崩管实现了宽度小于l o o p s 的激光脉冲输出。 ( 2 ) 使用激光发射与光电转换技术提取信号，利用光速一致性研制了与信号 光传输时间同步的同步信号传输系统，采用了波分复用技术，使同步光和信号光 走同一光纤路径，保证了时间的一致性。 ( 3 ) 使用了微弱雪崩的工作方式控制红外单光子探测器的暗计数水平和后脉 冲概率，使之可以工作在高速条件下。通过自行设计的滤波器和自差分相消电路 抑制雪崩二极管的微分响应信号，成功提取出微弱的雪崩信号。搭建了一个高速 单光子探测器的测试平台，可以全面的测试探测器的各项性能。 关键词：量子信息光纤量子保密通信单光子源同步系统高速红外单光子 探测器 a b s t r a c t a b s t r a c t q u a n t u mm e c h a n i c si so n eo ft h eg r e a t e s td i s c o v e r yo fp h y s i c si nt h el a s t c e n t u r y , i tr e v e a l s m a n ym i c r o s c o p i cp h e n o m e n a v i o l a t i n gh u m a n v i s u a l q u a n t u mm e c h a n i c sd e v e l o ph u m a nb e i n g s p e r s p e c t i v e ，e x p a n dh u m a n b e i n g s c o g n i t i o n ，a n dh a sc r e a t e daw h o l en e wa r e ao fr e s e a r c h q u a n t u m i n f o r m a t i o ns c i e n c ei san e wd i s c i p l i n et h a tu s e do ft h eq u a n t u mm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fm i c r o p a r t i c l e s ，a n dc o m b i n a t ew i t ht h et r a d i t i o n a li n f o r m a t i o n s c i e n c e i n q u a n t u mi n f o r m a t i o n ，q u a n t u ms e c u r e c o m m u n i c a t i o nc a nb e a c h i e v e da b s o l u t es e c u r i t y , a n dh a sm o r ea d v a n t a g e sc o m p a r e dt h dc l a s s i c c o m m u n i c a t i o n a l s oi th a sv e r yh i g hp r a c t i c a lv a l u e q u a n t u mc r y p t o g r a p h y n e t w o r kb a s e do nf i b e r - o p t i ci st h eo n l yi m p l e m e n t a t i o no fq u a n t u mi n f o r m a t i o n i nt h ef i e l do fp r a c t i c a l c u r r e n t l y t h e s e f e a t u r e sm a k eq u a n t u ms e c u r e c o m m u n i c a t i o nb e c o m eah o ta r e ao fc o m m u n i c a t i o n t h em a j o rr e s e a r c h i n s t i t u t i o n sa th o m ea n da b r o a dh a v ep u tal o to fh u m a nr e s o u r c e sa n dr e s e a r c h f u n d st ot h ed e v e l o p m e n to fq u a n t u ms e c u r ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y s oi ti s d e v e l o p e dv e r yr a p i d t h e e q u i p m e n t o f q u a n t u m s e c u r ec o m m u n i c a t i o ni s c o m p o s e d o f e l e c t r o n i c sd e v i c e sa n do p t i c a ld e v i c e s t h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l ei st h e d e v e l o p m e n to ft h r e ek e ye l e c t r o n i c sd e v i c e s ，t h el a s e rs o u r c e s ，s y n c h r o n o u s s y s t e ma n dt h es i n g l ep h o t o nd e t e c t o r t h a tb a s e do no p t i c a l - f i b e rq u a n t u ms e c u r e c o m m u n i c a t i o n t w oo p t i c a lq u a n t u mc r y p t o g r a p h ye x p e r i m e n t sa r ei n t r o d u c e d a l s o f i r s to fa l l ，i nt h ef i r s t c h a p t e ro ft h i sp a p e r , t h eb a s i ck n o w l e d g eo f q u a n t u mm e c h a n i c sa n dq u a n t u mi n f o r m a t i o na r ei n t r o d u c e db r i e f l y t h eh i s t o r y a n dc u r r e n td e v e l o p m e n to fq u a n t u ms e c u r ec o m m u n i c a t i o na r ea l s oi n t r o d u c e d t h ed e c i s i v ei n f l u e n c eo ft h et h r e ek e ye l e c t r o n i c sd e v i c e so nt h ew h o l eq u a n t u m s e c u r ec o m m u n i c a t i o ni sp o i n t e do u t i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h et h e o r i e sa n dt e c h n i q u e so ft h eo p t i c a l f i b e r q u a n t u ms e c u r ec o m m u n i c a t i o na r ed e s c r i p t e dd e t a i l l y t h et h e o r yo fq u a n t u m m e c h a n i c sw h i c hg u a r a n t e e i n ga b s o l u t es e c u r i t yo fc o m m u n i c a t i o n ，v a r i o u s c o d i n gs c h e m e s ，t h em o d eo fq u a n t u ms t a t e s ，s e c u r i t yv u l n e r a b i l i t i e st h e r ea n d i i i a b s t r a c t p r e v e n t i o np a t t e r n sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h et h i r dc h a p t e ri st h ew o r ko fd e v e l o p m e n to fs i n g l e p h o t o ns o u r c e t h r e e t y p e so fl a s e r st h a td e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yu sa r ei n t r o d u c e d t h eo n ei sa n a r r o wp u l s el a s e rt h a tw o r k i n gi nt h eq u a n t u mp h o n es y s t e m ，a st h es i g n a l s i n g l e p h o t o ns o u r c ea n ds y n c h r o n o u sl a s e rs o u r c eo ft h et e l e p h o n e ；t h es e c o n di s t h eh i g h s p e e dp u l s e sl a s e rt h a tw o r k i n gi nt h er e m o t eq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n s y s t e m ，i nt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h f r e q u e n c ya n dl o n gd i s t a n c e ；t h el a s t i sau l t r a - s h o r tp u l s el a s e rf o rt h et e s tp l a t f o r ms y s t e mo ft h eh i g h s p e e ds i n g l e p h o t o nd e t e c t o r s ，s p e c i a l l yd e s i g n e dt oa c c o m m o d a t et h eu l t r a - n a r r o wd o o rw i d t h o ft h eh i g h s p e e ds i n g l e p h o t o nd e t e c t o r s t op r o t e c tt h ef i b e r o p t i cq u a n t u mc r y p t o g r a p h ys y s t e mu pi n t oah i g hr a t e a n dl o we r r o rr a t e ，b o t hs i d e so ft h ec o m m u n i c a t i o n sm u s th a v eas y n c h r o n o u s s y s t e ma c h i e v e dm i n i m u mt i m es h a k i n g t h ef o u r t hc h a p t e ri st h ew o r k i n go f d e v e l o p m e n to ft h es y n c h r o n o u ss y s t e m sb yu s s y n c h r o n i z a t i o nl a s e ra n ds i g n a l l a s e ra r et r a n s m i t e da l o n gt h es a m eo p t i c a lf i b e ri nu s eo ft h ew d mt e c h n i c ，s o t h a ts y n c h r o n i z a t i o nl a s e ra n ds i g n a ll a s e rr e l a t i v et ot h em i n i m u ms h a k i n g t h e n t h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e n e ra n dt h ed i s c r i m i n a t o rw h i c hh a sh i g ht i m er e s o l u t i o n a r eu s e dt od i s c r i m i n a t et h es y n c h r o n i z a t i o nl a s e r s y n c h r o n o u ss y s t e mm e e t st h e r e q u i r e m e n to ft i m es h a k i n go ft h es y s t e mf i n a l l y t h ef r e q u e n c yo fi n f r a r e ds i n g l e - p h o t o nd e t e c t o rh a sb e c o m eab o t t l e n e c ko f c o d er a t ea n dc o m m u n i c a t i o nr a n g ei n c r e a s i n gi nq u a n t u mc r y p t o g r a p h y c o m m u n i c a t i o ni nf i b e r i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，w ei n i t i a t e dt h ew o r ko f d e v e l o p i n gh i g h s p e e di n f r a r e d s e m i c o n d u c t o rs i n g l ep h o t o nd e t e c t o r i nt h e m g h - s p e e ds i n g l e p h o t o nd e t e c t o r , w e a ka v a l a n c h es i g n a l e x t r a c t i o ni st h e d i f f i c u l t ，i nt h i sa r t i c l e ，t h eb a n ds t o pf i l t e ra n dt h es e l f - d i f f e r e c i n gc i r c u i th a d b e e nu s e dt oe x t r a c tt h ew e a ka v a l a n c h es i g n a l as e t u po ft e s tp l a t f o r mf o rt h e h i g h - s p e e ds i n g l e p h o t o n d e t e c t o rw a sb u i l ta l s o t h ep e r f o r m a n c eo ft h e d e t e c t o r sh a db e e nm e a s u r e dc o m p l e t e l y a tt h el a s to ft h i sa r t i c l e ，t w of i b e rq u a n t u mc r y p t o g r a p h ye x p e r i m e n t sw e r e i n t r o d u c e d ，i no r d e rt ov a l i d a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o n i c sd e v i c e si no t h e r w a y s t h ef i r s te x p e r i m e n ti st h ew o r l d sf i r s tq u a n t u m p h o n eb a s e do nq u a n t u m s e c u r ec o m m u n i c a t i o ni nf i b e r t h e n a r r o w - p u l s es i n g l e p h o t o n s o u r c ea n d s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mp l a y e dak e yr o l ei nt h i ss t u d yt h a tt h eq u a n t u mk e yr a t e a b s t r a c t h a sm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fr e a l t i m e c a l l a n o t h e re x p e r i m e n ti st h e l o n g - d i s t a n c eq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o ni nf i b e rw h i c hh a st h el o n g e s ts e c u r e d i s t a n c ei nt h ew o r l d t h eh i g h s p e e dl a s e rh a sb e e nw o r k i n ga sas i n g l ep h o t o n s o u r c ei nt h i se x p e r i m e n t t h eq u a n t u mk e yh a db e e ng e n e r a t e ds u c c e s s f u l l yo v e r ad i s t a n c eo f2 0 0 k m t h em a i ni n n o v a t i o n so ft h i sp 印e ra r e ： ( 1 ) u s i n gn a r r o wp u l s ef o r m i n gc i r c u i tt om o d u l a t et h es e m i c o n d u c t o rl a s e r t h a tm a k e st h el a s e rp u l s ew i d t hl e s st h a nln s u s e i n gp r e c i s et e m p e r a t u r ec o n t r o l t os t a b i l i z et h e w a v e l e n g t h ，l i n e - w i d t h a n dp o w e ro ft h e l a s e r u s i n g h i g h p e r f o r m a n c ef p g aa n ds e r i a l p a r a l l e lc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yt oa c h i e v et h e e l e c t r o n i c sf r e q u e n c yo f1g h za n dl a s e rp u l s ef r e q u e n c yo f5 0 0 m h z u s i n g h i g h s p e e da v a l a n c h et on a r r o wt h ep u l s ew i d t ho ft h el a s e rl e s st h a nlo o p s ( 2 ) u s i n gl a s e ra n dt h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nt e c h n i q u et oe x t r a c tt h e s i g n a l ，a n du s i n gt h ec o n s i s t e n ts p e e do fs i g n a ll i g n ta n ds y n c h r o n o u sl i g h tt o d e v e l o pt h es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m u s i n gw d mt e c h n o l o g yt oc o u p l et h es i g n a l l i g h ta n ds y n c h r o n o u sl i g h ti n t ot h es a m ef i b e rt h a tm a k es u r et h es a i r l et i m eo f t h e i rt r a n s m i t i o n ( 3 ) u s i n gt h em o d eo faw e a ka v a l a n c h et oc o n t r o lt h ed a r kc o u n tl e v e la n d a f t e r - p u l s ep r o b a b i l i t yo ft h ei n f r a r e ds i n g l e - p h o t o nd e t e c t o r ，s ot h a tt ow o r ki n h i g h - s p e e dc o n d i t i o n s t h ea v a l a n c h ed i o d ed i f f e r e n t i a lr e s p o n s es i g n a lw a s i n h i b i t et h r o u g ht h es e l f - d e s i g n e df i l t e ra n dt h es e l f - d i f f e r e c i n gc i r c u i t a n da l s o t h ew e a ka v a l a n c h es i g n a lw a se x t r a c t e ds u c c e s s f u l l y b u i l d i n gat e s tp l a t f o r mf o r t h eh i g h - s p e e ds i n g l e - p h o t o nd e t e c t o rt h a tc a nt e s ta l m o s tw h o l ep e r f o r m a n c eo f t h ed e t e c t o r k e y w o r d s ： q u a n t u mi n f o r m a t i o n ， f i b e r q u a n t u m s e c u r ec o m m u n i c a t i o n ， s i n g l e - p h o t o ns o u r c e ，s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m ，h i g h - s p e e di n f r a r e d s i n g l e p h o t o nd e t e c t o r v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 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己在论文中作了明确 的说明。 作者躲缉 签字日期：丝! ! ：垒：笙 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者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中国学 位论文全文数据库等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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 面公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 靳虢笙盈 签字日期： ；o ( o 。彤 第1 章引言 第1 章引言 1 1量子力学与量子信息 上个世纪伊始，当经典物理学已然发展到了历史的顶点，却仍存在着众多无 法解释的物理现象，量子力学和相对论横空出世，许多问题迎刃而解。其中，由 普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、狄拉克等一大批杰出的物理学家提出并建立 的量子力学体系理论，推翻了人类传统上对客观世界认知，引发了一场现代科技 的革命。量子力学也理所当然的和相对论一起成为现代物理的两大支柱。一个世 纪以来，量子力学作为理论基础促进了一系列高新技术的发明与发展，影响着物 理、化学、生物、天文等各个学科。作为现代科学技术的主要标志的原子能技术、 电子技术、激光技术、通讯技术和半导体技术、超导超流的认识和利用、半导体 技术的大规模发展等等，无不是量子力学的产物【张永德，2 0 0 5 。 量子特性在信息领域中有着独特的功能，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可能突破现有经典信息系统的极限，量子信 息学就是由量子力学和信息科学相结合而产生的一门全新的学科，它是以量子 力学的原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学，包括量子密码、 量子通信和量子计算等。 近三十年来，b b 8 4 通信协议( b e n n e t ta n db r a s s a r d ，1 9 8 4 ) 、量子s h o r 算法( p ws h o r ，1 9 9 4 ) 、g r o v e r 量子搜寻算法( l k o r o v e r ，1 9 9 7 ) 、量子隐形传态实验 ( c h b e n n e t t ，gb r a s s a r d ，1 9 9 3 ) ( d b o u w m e e s t e r ，1 9 9 7 ) ( d 。b o s c h i ，s b r a n c a ， 1 9 9 8 ) 等一系列理论和实验的进展相继出现，量子信息学的发展日新月异，一个 全新的量子技术时代已经来临。 第1 章引言 1 2 量子保密通信 量子保密通信即量子密码术，是量子信息学一个重要的研究分支，也是目前 量子信息学当中最有实用价值的一个新兴技术。由量子力学的基本原理保证了通 信过程中的绝对安全，使量子通信技术在信息安全方面拥有了经典通信技术无法 比拟的优势与前景，特别是在军事，商业保密等高机密行业有着广泛的用途。从 上个世纪8 0 年代量子保密通信理论的提出( b e n n e t ta n db r a s s a r d ，1 9 8 4 ) 至1 现 在，将近三十年来，量子信息在理论和实验上都取得了重大的突破，甚至 部分成果已到了实用化阶段，其发展之迅速，影响之广泛，令人侧目；所 焕发出来的活力与优良的前景引起了科学界和工业界的广泛关注与重视。正 是因为其优良的实用价值，量子通信技术也成为了当前量子信息科学领域一个研 究热点。 1 2 1量子保密通信的历史 量子保密通信的概念最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代后期s t e p h e nw i e s n e r 写的c o n j u g a t ec o d i n g 一文，可惜的是，该极具创新性的论文当时并没有被发 表，以至于几乎完全被忽视了( b e n n e t te ta l ，1 9 9 2 ) 。幸运的是，在沉寂了十多 年后，b e n n e t t 通过偶然的机会得悉了此事，并且遇到了伙伴b r a s s a r d ，他们两 人把w i e s n e r 的理论完善并发扬光大，于1 9 8 4 年提出了量子密钥分发的四态方 案，即著名的b b 8 4 协议，此为量子密码术之理论起源。 从2 0 世纪8 0 年代量子保密通信理论的提出以来，特别是从9 0 年代中期开 始，量子保密通信领域取得了一系列突破性进展。1 9 9 4 年，s h o r 提出了一种利 用量子计算特性解大数因式分解的方法，即著名的s h o r 算法( p w s h o r ，1 9 9 4 ) 。 该算法的提出，使得当年得到广泛应用的r s a 密码术( rlr i v e s t ，1 9 7 8 ) 受到了 前所未有的挑战。r s a 密码的安全性是基于求解大数质数因子的算法复杂度之上， 如果使用当前的计算机系统逆向破解大数质数因子，其破解所需时间将是天文数 字。s h o r 算法正是利用了量子计算机的特点，将大数因子分解的计算复杂度从 指数关系转为多项式关系，大大降低了计算所需时间。可以说，一旦量子计算机 真的出现，那么r s a 公钥加密术将不再安全，这对传统密码系统将是一个沉重的 的打击，甚至是毁灭性的。 幸运的是，虽然量子力学剥夺了一方面，但它在另一方面也给出了补偿。量 子计算是传统密码术的噩梦，但量子密码术却是由量子力学的基本原理保证了其 是绝对安全的( n i c o l a sg i s i n ，2 0 0 2 ) 。正是在这样的背景之下，量子密码术不 但引起了各国物理学家的广泛关注，而且也引起了各大通信公司、国防安全专家 等的高度重视。国际上量子信息相关的研究小组遍地开花，各种新技术与新成果 2 第1 章引言 如雨后春笋般涌现。 1 2 2 量子保密通信国内外发展状况 第一个量子保密通信演示性实验是正是由i b m 公司的b e n n e t t 等科学家在 1 9 8 9 年完成的( b e n n e t ta n db r a s s a r d 1 9 8 9 ) ，初频验证了量子保密通信的可 行性，并在1 9 9 2 年和美国加州大学洛杉矶分校的s m o li n 等人对该实验在随机数、 光源、分发路径等多方面进行了改进( b e n n e t t ，1 9 9 2 ) 。此后不久，他们又因物 理器件的非完美性而提出了密钥提纯和隐私放大等方案( b e n n e t t ，1 9 9 5 ) 。量子 保密通信的价值和可行性得到了充分的肯定。 自此以后，各类量子保密通信的方案不提提出，各种量子保密通信的实验报 道也大量出现，工作频率越来越高，安全距离越来越长。例如，瑞士日内瓦大学 的g i s i n 小组在1 9 9 3 年首次实现了极化编码的光纤量子通信实验，通量距离为 l k m ( m u l l e r ，1 9 9 3 ) ；2 0 0 2 年，k u r t s i e f e r 等人在阿尔卑斯山的两座山峰间实 现了2 3 4 公里，成码1 5 k b i t s 的自由空间量子保密通信实验 ( k u r t s i e f e r ，2 0 0 2 ) ；2 0 0 5 年中国科大的潘建伟小组在合肥实现了基于纠缠光 源分发的量子保密通信实验，通信距离达到1 3 k m ( p e n gc z ，2 0 0 5 ) ；而在2 0 0 5 年，日内瓦的i dq u a n t i q u e 公司甚至已经有量子保密通信系统设备出售。近几 年来，量子保密通信，特别是光纤量子保密通信的发展犹为迅速。2 0 0 3 年针对 光纤量子保密通信的分光子攻击的安全漏洞发展出了诱骗态量子通信的方案，在 2 0 0 7 年，美国l o sa l a m o s 国家实验室( r o s e n b e r ge ta 1 。2 0 0 7 ) ，欧洲联合实验室 ( s c h m i t t m a n d e r b a c he ta 1 ，2 0 0 7 ) ，中国的潘建伟小组( p e n ge ta 1 ，2 0 0 7 ) 等小组的实 验在同一年实现了1 0 0 k m 以上的诱骗态量子密钥分发的实验。2 0 0 8 年，中科大 潘建伟小组完成了世界首部量子电话机的研制，实现了用量子密钥实时的加密语 音信息；在2 0 0 9 年潘小组又实现了2 0 0 k m 距离的远程量子密钥分发实验。 量子保密通信在国际上受到了相当程度的重视，在美国、日本、德国等发达 国家，量子技术已成为他们国家科技发展的战略目标之一，量子保密通信技术甚 至已成为事关国家信息安全的关键技术。在2 0 0 9 年，为了量子保密通信的进一 步发展和推广，由美国国家标准技术研究院( n i s t ) 的d o d s o no ，日本信息通信 研究机构( n i c t ) 的f u j i w a r am i k i o 等人和世界多所著名大学、研究所、公司 的专家学者一起共同起草了一份关于量子密码技术的行业标准，包括了器件标 准、通信方案、安全需求以及在多用户多网络和多种服务环境下的协作等方面 ( d o d s o nd ，2 0 0 9 ) 。行业标准的制定，标志着量子保密通信技术已开始全面走 向了实用化。 在国内，在上世纪9 0 年代量子信息刚刚在国际上悄然兴起之际就投入到这 个新兴领域的研究行列之中，并且受到了国家的高度重视。目前，量子操控技术 第1 章引言 可已成为国家“十一五”期间基础研究发展规划四个重大科学研究专项计划之一 ( 另外三个分别为蛋白质研究、纳米科学技术研究、发育与生殖研究) ，量子保 密通信也得到了国家以及各部委的大力支持，中国科学院在中国科技大学创建了 量子信息重点实验室，合肥微尺度国家实验室专门成立了量子物理与量子信息研 究部，国家高技术研究发展8 6 3 计划与国家科技部9 7 3 计划中也有多个量子保密 通信相关的项目。 这些实实在在的进步所得到的重视，使量子保密通信技术迎来了发展的春 天，国防保密单位，银行金融系统以及世界各大公司都设入了相当的热情与成本 参与到量子保密通信的研究中，量子保密通信技术正朝着成码率更高，安全距离 更远的方向迅速发展。 1 。2 3 制约量子保密通信进一步发展的关键技术与难点 量子保密通信特别是光纤量子保密通信技术虽然发展十分迅速，但仍存在 着不少技术上难点，限制了它进一步的发展。这些技术难点，可分为光学系统和 电子学系统两方面。 在光学上，光纤对光子的衰减、色散、非线性效应等影响着量子保密通信 的传输距离和成码速率。如果是相位相干的量子通信系统，干涉仪的臂长影响着 光的相干长度，臂长精度越高，发生相干的机率也就越高，但是目前来说光纤的 光度的可调节精度还较差。 在电子学上，首先是单光子源目前还没能真正实现，只能用衰减到近单光 子水平的弱光替代，因此需要用特殊的编码方法防止因非单光子而引起的安全漏 洞，这种编码方法引入，将以减小部分成码率为代价。而且即使是作为单光子源 替代的弱激光，也存在着不足之处。由于成本与便携的需要，实用化光纤量子保 密通信的的光源最适合由半导体激光二极管是产生，但是半导体激光二极管的光 功率和波长的稳定性受温度影响很大，功率不稳定会影响安全性和成码率，波长 不稳定会使光纤传输时的色散和非线性效应变大。另外半导体激光器的单色性也 较差，单色性会加大光纤传输的色散，并且单色性越差，相干长度越短，对干涉 仪的臂长精度有了更高的要求。 电子学中第二个技术难点同步系统，由于光纤量子保密通信中所用的单光 子探测器工作于门模式，门的宽度一般会很窄，通常在r l s 的量级，为控制门的 开放时间内正好有光子到达，同步系统的时间分辨精度必须很高，时间晃动要求 通常在百p s 量级。在低速情况下相对较好，但为了成码率和通信距离的提高， 量子通信必须向高工作频率的方向发展，同步系统要在高工作频率下保持低时间 晃动，并且还要保证对信号光造成影响足够小，将显得犹为困难。 第三个难点即是单光子探测器的工作频率问题，实际上，目前的量子通信 4 第1 章引言 系统的工作频率就是由单光子探测器的工作频率决定的，要提高整个系统的工作 频率，就必须首先提高探测器的工作频率。但是探测器在工作在高速情况下会遇 多种技术难点，如暗计数和后脉冲概率的加大、雪崩管微分响应信号的增大等。 可以说，目前光纤量子通信进一步提高成码率和通信距离的最大瓶颈就在于单光 子探测器。 关于电子学上的这些关键技术，也是本文主要关注的技术难点，并针对这 些关键技术开展了研究，将在后文中详细说明。 1 3 量子保密通信中若干关键电子学器件 恒量一套量子保密系统的性能是否优良的最终标准，是该系统的最终成码 率与所能达到的最远安全距离。在量子保密通信中电子学方法大量应用，量子保 密通信系统的硬件本身就是由电子学器件与光学器件两部分所组成。 可以说，电子学器件的性能，直接影响到量子保密通信最终的成码率和安 全距离。如前文所述，在基于商用光纤的长波近红外激光通信波段，光纤量子保 密通信实验的最终成码率与安全距离和单光子源、同步系统、单光子探测器这三 类器件密切相关。激光的稳定性、同步系统的时间分辨以及探测器的工作频率、 探测效率和暗计数等与最终的成码和所能达到的安全通信距离息息相关。 1 3 1 单光子源 从理论上来说，任何双态量子系统都可以用来实现量子保密通信，但在实际 操作中，到目前为止，几乎所有的量子保密通信的实验都是使用光子作为信息的 媒介，这是由于光子受外界环境干扰小、可控性强、没有极性等优点决定的。激 光技术的发展，也为用光子实现量子保密通信提供了契机，以光子的量子态为信 息载体是目前量子保密通信的主要手段。 在量子保密通信中，理想的光源应该是每个脉冲最多一个光子，这样才能保 证绝对的安全。但是由于技术发展的限制，直到目前为止，真正的单光子源还并 没有实现，至少还没有出现可以被证明每个脉冲都只发射单个光子的光源。因此， 还只能通过使窄脉冲激光经过固定的衰减后得到的弱强度激光来近似作为单光 子源。在这种弱强度脉冲激光中，每个脉冲中的光