（物理电子学专业论文）可用于量子通信的飞秒脉冲的产生及测量技术.pdf

可用于量子通信的飞秒激光脉冲的产生及测量技术 摘要 随着社会经济的日益发展，人类社会对于通信和信息的需求量与 日俱增，越来越需要大容量、高速率的通信系统和信息服务。一门将 量子力学应用于信息科学的新兴学科一一量子信息学便应运而生，该 学科的重要分支之一就是量子光通信，它具有高速、保密等一系列优 点，是一种面向未来的理想通信方式。近年来，量子通信在理论和实 践上均已取得了重要的突破，并已经引起了世界各国政府、科技界和 信息产业界的高度重视。 目的，实现量子通信实用化的关键在于如何建立量子通信信道， 利用纠缠态是其中很重要的一种手段。目前，实验中产生量子纠缠态 最重要、最方便、最常用的方法就是自参量下转换技术。目前最常用 的就是利用超短飞秒脉冲泵浦来完成自发参量下转换过程，所以，实 现飞秒量级的超短脉冲就成为量子通信实验研究的基础。人们已经利 用可调谐掺钛蓝宝石激光器产生飞秒脉冲，经过倍频之后得到泵浦光 源，通过泵浦非线性b b o 晶体可产生可见纠缠的双光子对。 目前在实验室中产生超短飞秒脉冲最常用的方法，就是利用可调 谐掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i r e ) 激光器经过克尔棱镜锁模( k l m ) 之后 产生的，因此，本论文在第一章中对量子光通信的基础理论、优越特 点、实现方式和未来的应用做了一定的阐述；在第二章中对超短脉冲 的产生及目前常用的超短脉冲啁啾脉冲放大技术( c p a ) 进行阐述， 并将系统的阐述以飞秒激光脉冲技术为代表的超短激光脉冲技术领 域最新的研究对象、范围及其未来的发展方向；第三章中对可调谐掺 钛蓝宝石激光器的特性和克尔棱镜锁模机制，以及激光腔内产生的相 应的线性或非线性光学效应等进行详细阐述，详细分析了激光腔内的 自聚焦效应( s p m ) ，并对比了自相位调制和色散在啁啾脉冲产生中 的作用，对腔内色散的产生和补偿进行了分析并提出了相应的色散补 偿方法；第四章中将对目前常用的两种飞秒脉冲测量技术频率分辨光 学开关法( f r o g ) 和自参考光谱位相相干电场重建法( s p i d e r ) 进 行阐述，并将针对频率分辨光学开关法( f r o g ) 进行一定的数值模 拟和分析，之后对两种测量方法进行了比较。 关键词：量子光通信超短飞秒脉冲可调谐掺钛蓝宝石激光器 克尔棱镜锁模频率分辨光学开关法 g e n e r a l i o na n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g l e so f u l t r a s h o r tf e m t o s e c o n do p t i c a lp u l s e u s e df o r q u a n t u mc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t t h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n t so fs o c i a le c o n o m i c sc o n t i n u o u s l yn e e dm o r ea n d m o r 嚣b a n d w i d t hf o rc o m m u n i c a t i o n sa n dt e e c o ms y s t e m sa n di n f o r m a t i o ns e r v i c e s w i t hm e g ac a p a c i t i e s a san e wb r a n c ho ft h ei n f o r m a t i o ns c i e n c e s ，q u a n t u mo p t i c a l c o m m u n i c a t i o nt h e o r yc a ns o l v et h e s ep r o b l e m sb yi n t e g r a t i n gq u a n t u mm e c h a n i c s w i t ht h ec o m m u n i c a t i o ns c i e n c e q u a n t u mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni sa l la d v a n c e da n d f u t u r e p r e p a r e dc o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，w h i c hh a ss u c hd i s t i n c tv i r t u e sa se x t r e m e h i g hb a n d w i d t h ，s u p e r s e c r e tc a p a c i t y ，e t c s o m er e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n du n i v e r s i t i e s h a v e a c c o m p l i s h e dm a n yi m p o r t a n te x p e r i m e n t s a n da c h i e v e das e r i e so f b r e a k t h r o u g h s i nq u a n t u m o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n i nt h e p a s td e c a d ea n d i th a sb e e na h o ta r e ai ni n f o r m a t i o ns c i e n c ea n da l s oa r o u s e dt h ei n t e r e s to ft h eg o v e r n m e n t sa n d i n d u s t r i e s + t h er e a l i z a t i o no fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n w h i c hi sa ni m p o r t a n tb r a n c ho f q u a n t u mi n f o r m a t i o ns c i e n c e ，i sh o w t os e tu p q u a n t u mc h a n n e l q u a n t u me n t a n g l e d i so n eo f m a i nm e t h o df o rq u a n t u mc o m m u n i c a t i o nt ot r a n s m i ta nu n k n o w r lq u a n t u m s t a t eb yq u a n t u mt e l e p o r t a t i o mt h em o s ti m p o r t a n t ，c o n v e n i e n ta n dc o m m o nm e t h o d f o r g e n e r a t i o n o fe n t a n g l e ds t a t ei s s p o n t a n e o u sp a r a m e t r i c d o w nc o n v e r s i o n e s p e c i a l l y , t h i sc o n v e r s i o np r o c e s sc a n b ed o n eb yt h ep u m po ft h eu l t r a s h o r to p t i c a l p u l s e f o rt h e s e 站赫。璐，t h er e a l i z a f i o no f u l t r a s h o c to p t i c a lp u l s ei se x p e c t e dt ob e f u n d a m e n t a lt ot h eq u a n t u mi n f o r m a t i o ne x p e r i m e n t s s o m er e s e a r c h1 8 b sh a v eu s e d u s i n gt u n a b l et i ：s a p p h i r el a s e rt og e n e r a t ef e m t o s e e o n dl a s e rp u l s ea n dg e tp u m p 5 0 u r c eb yd o u b l ei t sf i r e q u e n c ya n du s i n gi tt op u m pn o n l i n _ 尊a rb b o c r y s t a lt og a i n e n t a n g l e dt w o - p h o t o n s t a t e c u r r e n t l y , u s i n g t u n a b l et i ：s a p p h i r el a s e ra st h e 删na n da m p l i f i e rm e d i aa n dw i t h k e r rl e n sm o d e l o c k 疆：u 订) m e t h o di st h em o s tp o p u l a rm o d et og e n e r a t et h e u l t r a s h o r tf e m t o s e c o n dl a s e rp u l s ei nr e s e a r c hl a b b a s e do nt h i sm e t h o d ，t h em a j o r c o n t e n t so f t h i st h e s i sa f ea r r a n g e da sf o l l o w ： n ef u n d m n e n t a i t h e o r y , s u p e * v i , t u e s ，i m p i e m e n t a l m e t h o d sa n df u t u r e a p p l i c a t i o n so fq u a n t u mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n w i l lb ed e s c r i b e di nc h a p t e ro n ei n d e t a i l ， n eg e n e r a t i o nm e t h o da n dt h ec o m l t t o nc h i r p p u l s ea m p l i f yt e c h n o l o g y o f u l t r a - s h o r tf e m t o s e c o n dl a s e rp u l s ef o rp r e s e n tw i l lb ei n t r o d u c e di nc h a p t e rt w o ，a n d w ew i l ld i s c u s st h eu p - t o - d a t er e s e a r c ho b j e c t ，r a n g ea n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f u l t r a s h o r tf e m t o s e c o n dl a s e rp u l s et e c h n o l o g yi nt h i sc h a p t e r 确ep h y s i c a lc h a r a c t e r so ft u n a b l et i ：s a p p h i r el a s e ra n dt h em e c h a n i s mo fk e r r l e n sm o d e l o c k ( k l m ) w i l tb ed i s c u s s e di n c h a p t e r t h r e e w ea n a l y z e dt h e m e c h a n i s ma n df u n c t i o no fk e r rl e n sm o d e - l o c ka n dc o r r e s p o n d i n gl i n e a ra n d 1 1 0 1 1 l i n e a r o p t i c a l e f f e c t p r o d u c e d i n i n t r a - c a v 妇s u c h a sg v da n ds p m 。弛e g e r 、e r a t i o na n dc o m p e n s a t i o no fi n t r a - c a v i t yd i s p e r s i o na r ea l s oa n a l y z e da n d s e v e r a l m e t h o d so f t h e c o m p e n s a t i o na r ep r o v i d e d f r o ga n ds p 玎) e r 。t h em o s tt w oc o m m o nm e a s u r e m e n to fu l t r a - s h o r tp u l s e ，w i 娃 b ed e p i c t e di nc h a p t e rf o u r w ew i l la l s om a k es o m ed a t ae m u l a t i o n sa n dr e l e v a n t a n a l y s e sf o rf r o q w h i c hh a db e e n c o m p a r e d w i t hs p i d e ri nt h i sc h a p t e r k e y w o r d s ：q u a n t u mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，u l t r a s h o r tf e m t o s e c o n dp u l s e ， t i ：s a p p h i r el a s e r , k e r r l e n sm o d e i o c k ( k l m ) ， f r e q u e n c y r e s o l v e do p t i c a lg a t i n g ( f r o g ) 独创性( 或剖新往) 声明 小人卢明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究_ _ _ l 作及取得的研究 成聚。尽我所知，除了文中特爨加以标洼和致谢中所罗列的内容以矫，论文中不 戗含其他人已经发表或撰写过的研究成槊，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育梳芋句麴学位或证书掰使臻过的榜辩。与我一酾工 乍的丽志对本研究掰徽的任 们以献均已在沦文中作了明确的说明并表示了谢意。 p 酯学位论文与资辩著有不实之楚，本人承疆一切鞠关责经。 本人签名：觐幺日期：型罂：! ：丝 关j 二论文使用授权的说明 学位论文俘卷完全了瓣索郯毫大学有关保蜜窝镬瘸学应论文翦裁定，瑟： 研究，1 i 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 鼹势l 麓尉家畜关潍f 1 或撬梭送交论文熬复印锌帮磁盘，龛谗学位论文被套闽窝谨 i 划；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 复捌手段保存、瓶编学位论文。( 保密的攀位论文在鳃密蜃遵守戴规定) 保密沦文注释：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：本学位论文不麟于保整茈重，遗愿本授较书。 本人签名：篁么日期：毖皇：丝 导卿签名：金熏是 日期：堑! 照! ：生。 北裘郫电大学磺论竞绪论 绪论 斑传统翡电遁倍方式鹅光纾通信方式秘转变怒入类通镶贷囊土酌一次擎禽经静 转交。其肖大容惑，低损耗，传输过稷中不受电磁干貔等特点麓巍纤潦信方式，在 绞过短短= 三十年静发震之聪，蠢经成为筏代牢圭会聚燕要熬遴信方式之一。2 0 毽纪 7 0 年代辩，第一代光绎通信系统的镑输速攀霞为4 5 m b i t s ，餐是到了瓣年代孛麓， a 稍融经开始使瓣攀信避速率达戮1 0 g b i b s 鹃高速大攀量您努暹壤系统，冀袭嶷遮 寝耀祷速。 毽是，熬罄入类毒主会德塞纯熟飞速发鼹，逶攘渡努葶孛蹙帮蝗务爨瓣增辍，对予 逶信褰量弱繁塞鹣蔫黎蚕程里死鸯级数豹臻长，虫予曩经建戏鹣必终逶痿掰终容量 瓢及传舔速搴鲍黢割，经鬻会塞魏遴缕掇塞瑗象。在艇用器释复鼹技零舞裳光纾逶 绥潜力豹避跨，爨勰德开发爨抟埝速率更麓、戆焱肇寝对翔蹙辕曼大戆痿惑萋戆逶 僚方戏。予燕，构筑在光鲜透信纂勰上的爨子必邋信技术艘运丽垒，旋番搿发利用 光豹爨子健遴行避售成为艮蕊关逢的澡题，曩蔚的必疆信技求知掇于党通信、孤予 光邋傧等_ f 照用的郝是光的波动性，筒燕子光通信方式则应髑了光的璧子性。 嶷予通绥技术是必逶翁撩零筋一静，它捌惩了龙寝擞躐濑器审瓣靛子祷悭，谩 一个个光子传输“0 ”和“1 ”的数字信息。霹诧，扶理论上说，萤予光通信方式可 以传输无限鬣的德怠，魏袋麓把光的黧子浚成功静麴戳实用，这旃怒a 类遴僖历史 上一次根本瞧的窝革。 羹予邋像欲蠹予杰作洚籀怠载俸，信慧的传邀粒处理均燮遵麸豢予力学糕律。 它为信怠辩掌静泰来发展捷侠了新豹舔毽鞠方法，迄今的溪论耱安验疆究诞窭了蠢 予逶结在箍蕊运筹遮滚、镶爨傣患安全、增大信慧容爨等方嚣都碟戳突玻璇鸯荣惠 系统豹裰黻，己缀季l 遗了举术界、各瓣莰辩黎产照赛熬离壤蘩褪。 弱零竣癀己燎愁霪予逶傣技术露海一矮鬻家缀藏技零褥突廷发谤麓寒麟舞，计 划在l 簿肉投黉绞4 尊皖嚣元，采凝8 产富攀”联会凌芙数方式接遴磷巍嚣发，辑究 谦鬈滁笼法酸潆豹密羁技零外，逐鸯塞予遴馕黥蕊爨的熬懑遽计裁壤及传输技本， 蠢零骚究整予售惠逶蕊豹念鼗专嚣搴趣痿魄落公司( m 曙) 窝三菱毫瓤公霹等。勰 黢省麴嚣拣是在2 敝o 2 鹅0 霉蓠最，使保密遴信网络秘量子遇信网络技术选到实用 纯瘩警。 避年来，美圈全躅科学基佥会对爨子邂傣的研发投资了s 0 万美元，图防高缎 北京邮电大学硕士论文绪论 研究计划局也在用3 5 年的时间推进这方面的研究项目，美国m m 和a t t 都在积 极研究这一技术。欧盟1 9 9 9 年建立了集中1 2 个研究项目的国际财团。计划在2 0 1 5 年 前后使量子通信和量子计算机在技术上达到实用化水平。 我国已经于1 9 9 8 年在中国科技大学建立了量子信息实验室，这是国内量子信息 领f 的第一个开放实验室，建立了能够从事量子通信实验研究的基本设备并已取得 某些实验研究成果。1 9 9 7 年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者合作首 次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态在 两地之间的光子上相互传送，实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信 息载体的光子本身并不被传输。 目前，实现量子通信实用化的关键在于如何建立量子通信信道，利用纠缠态是 其中很重要的一种手段，因此量子纠缠态在量子通信中扮演着极其重要的角色。利 用纠缠态可以实现未知量子态的隐形传送，可以实现密集编码来提高信息传送能力， 而且利用纠缠态实现的量子密码原则上可以保证通信的安全性等。目前，实验中产 生量子纠缠态最重要、最方便、最常用的方法就是自参量下转换技术，通过非线性 晶体的自发参量下转换过程产生的双光子纠缠态，可以在实验中成功的完成量子隐 形传态，量子密集编码，量子密码等许多重要实验，因此，自发参量下转换过程的 研究就成为一个焦点问题。目前最常用的是利用超短飞秒脉冲泵浦来完成自发参量 下转换过程，所以，实现飞秒量级的超短脉冲就成为量子通信实验研究的基础。人 们己经利用可调诣掺钛蓝宝石激光器产生飞秒脉冲，经过倍频之后得到泵浦光源， 通过泵浦非线性b b o 晶体可产生可见纠缠的双光子对。 双光子纠缠专的产生依据其泵浦光的不同，通常可以分为连续光泵浦和超短脉 冲泵浦的参量下转换两种。两者的区别主要在于，泵浦光的相干长度不同，显然连 续光的相干性较脉冲激光好，另外，连续激光泵浦产生的双光子纠缠态对在时间上 是随机的，以一定的概率产生双光子纠缠对，而超短脉冲经过非线性晶体后产生的 双光子对则由脉冲时间来决定，也就是只有当脉冲经过晶体时才可能产生双光子对。 超短脉冲由于其光源的性质决定了其产生的双光子纠缠对的特殊用途。实验中首次 采用超短脉冲产生的双光子纠缠对是在1 9 9 7 年，奥地利i n s b r u c k 大学的研究小组利用 超短飞秒激光脉冲系统首次成功实现了量子隐形传态。从此，开始更多的关注对超 短激光脉冲泵浦的双光子纠缠态的实验研究，人们相信超短激光脉冲将在量子光通 信领域发挥越来越大的作用，因此将更加促进对超短激光脉冲的研究及应用。 目前在实验室中产生超短飞秒脉冲最常用的方法，就是利用可调谐掺钛蓝宝石 ( t i ：s a p p h i r e ) 激光器经过克尔棱镜锁模( k l m ) 之后产生。本论文在第一章中对 北臻捌j 遐太学硕士论文绪论 量子通信的基础理论积基本原理及实现方式等避季亍了一定的阐述，之蜃程第二章中 对超矮脉冲的产生及目前常厨的超短脉冲啁啾脉冲放大技术( c p a ) 进行阐述；第 三章中对可调谐掺钛蕊塞石激光器的特性和克尔棱镜锁模机制以及激光腔拽产生的 相应的线性或j # 线性光擎教应簿迸行了详细阐述，详细分析了激光腔内的啻聚焦效 应( s p m ) ，并对比了照相位调制和色散在啁啾脉冲产生中的作用，对胶内色教的 产生秽补偿进行了分拼并提出了稆应的色散 髅方法：第西章审将对磊髓常雳静飞 秒脉冲测量技术进行描述，并将针对频率分辨光学开关法( f r o g ) 进行一定的数 僮模藏帮分橱。 悲索撼电丈学硕士论文第一章蛩子逶信鹳基础理沦投实现方式 第一章量予通信的基础理论藏实现方式 1 。1量予通信摄述 随着社会经济的蜀益发展，人类社会过于通信和信息的需求量与日俱增，越来 越需要大容量、高速率的通信系统和信惫服务，促使我们不断的致力于通信和信息 技术进一步发展的研究，导致现有信息系统的功能被开发至极限。因此，信息科学 的进一步发展势必要借助于新的原理和方法，一门将量予力学应用于信息科学的新 兴学盂= = 置了痿息学便应运丽生。该学科的重要分支之一”就是量子通信。从广义上 i 弊，量子通信包括量子密码术、麓子隐形传态、密集编磷、远程蓬子逶僚等。近年 来，量子通信在理论和实践上均融取得了重要的突破，并恐经引起了世界备国政府、 辩技界和信息产迎界的高度重视。 量子通信理论最早最在1 9 9 3 年由美国m m 公司的研究人员首先提出的，目前荧 篷莺家辩学基金会、美嚣莺防帮簿都疆茁在着手研究茈璜技术，敬鼗获t 9 9 9 年齐始 研究，日本也从2 0 0 1 年开始将量子通信纳入十年计划。 现有的经典铸息论中，是数缴特作为信息单元，跌携理学角度游，魄特是一个 两态系统，它可以是两个可识别状态中的任意一个，如悬或非，舆或假，o 或1 。程 数字计舞糗孛，穰容器平扳之趣豹电压霹表示售患援：褥，骞电萄代表l ，秃电荷我袭 0 。而量子信息单元称为置于比特( q u b i t ) ，它是两个逻辑态的叠加，也即：i 秀爰交态，逶拳称戈计算基态 或数据。而经典比特可以看成是蹩子比特的特例( c o = 0 或c l = o ) 。用煮子态来袭 示信息是量子信息豹出发点，有关信息的所有闯题都必须用量子力学理论来处理， 信息的演交遵从薛定谔方程。信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理 ( 计算) 是量子懑的幺藏变换，信息提取便是对艇子系统实行量予测量。 在蜜验中，任何两懑的量予藏统都可以用来制备量子眈特，常觅的裔光子的燕 变偏振态、电子绒原子核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统的空间模式 等。 信息一旦量子化，爨子力学的特性便成为量子信息的物理基础，其主要有： ( 1 ) 量子翱缠佳：n ( 大予1 ) 个蠹子琵特w 鞋楚子豢予纠缠态，予系统的鼹 域状态不是相互独立的，对于一个子系统的测量会导致获取另外子系统的状态。 4 北京邮电大学硕士论文第一章量子通信的基础理论及实现方式 ( 2 ) 量子不可克隆性：量子力学的线性特性决定了无法对任意量子态实行精确 的复制，量子不可克隆定理和不确定性原理构成了量子密码术的物理基础。 ( 3 ) 量子叠加性和相干性：量子比特可以处在两个本征态的叠加态上，在对量 子比特的操作过程中，两态的叠加振幅可以互相干涉，这就是所谓的量子相干性。 1 2 量子通信的基本方式 量子隐形传态( q u a n t u mt e l e p o r t a t i o n ) 和量子密集编码( q u a n t u ms u p e r d e n s e c o d i n g ) 是量子通信中比较典型的两种方式，前者利用经典辅助的方法传送未知的 量子态，而后者则是利用量子信道传送用经典比特表示的信息。 量子通信除了推广了经典信息中的信源与信道等概念之外，还引入了量子纠缠 ( q u a n t u me n t a n g l e m e n t ) 【1 特性，创造了量子隐形传态这样一个在经典通信中根本 就不可思议也无法实现的奇迹。1 9 9 3 年，b e n n e t t 等六位科学家发表了一篇开创性的 文章 2 】，提出可以将未知量子态的信息分为经典信息和量子信息两部分，分别由经 典信道和量子信道传送给接受者。经典信息由发送者通过对原信息进行某种测量( 通 常是基于b e l l 基的联合测量) 而获得，量子信息则是发送者在测量中未能提取的其 余信息。 如图1 1 所示，假设发送者a l i c e 欲将粒子1 所处的未知量子态传送给接收者 b o b ，在此之前，两者之间共享e i n s t e i n - - p o d o l s k y - - r o s e n ( e p r ) 对( 即由e i n s t e i n ， p o d o l s k y ，r o s e n 提出的处于最大纠缠态的两个粒子组成的对) 。a l i c e 对粒子l 和她 拥有的e p r 粒子2 实施b e l l 基联合测量( b s ) ，测量的结果将为四种可能的量子态当 中的任意一个，其几率为1 4 ，对应于a l i c e 不同的测量结果，b o b 的粒子3 将坍缩到 相应的量子态上。因此，当a l i c e 经由经典通道将她的探测结果告诉b o b 之后，b o b 就可以选择适当的幺正变换u ( 4 个泡利( p a u l i ) 矩阵) 将粒子3 制各到精确复制态 上( 如图1 一1 ) 。 戈泵般魁犬掌碗士论文鬻章盈于通落孵基础理论及实现方式 班憾灏 图1 1量子隐形传态原理示意图 量子隐形传态的特点在于仅仪是量予态被传送，但粮子3 本身不被传送。而程 a l i c e 测量之蓐，翅态跫技破坏，嚣鳇这个过程不是量子克隆。 目前，世界上已经有多个小组在实验上成功的实现了量子隐形传态。奥地利 i n n s b r u c k 4 , 缓袋咫l i 垄参量下转换过程掰产生的自发辐射孪生必子对终为e p r 粒子， 实现了将一个光子态传送到另个光子上p l 。 最近，b e n n e t t 等人掇出了遨程量子态毒冬( r s p ) 鹣理论方紫1 4 】，与爱子隐形 传态不阀的是，在r s p 中发送者确定性的知道需鬻复制的态。德们证明了在r s p l 空 程中，只翥要传送一个经典比特的信息鼯可，邋信复杂度仅为隐形传态的一半。 在攫子隐形倦态中，实现了经典信崽对量子信患的健输。那么，是否可鞋莆j 用 量子信道来传遴经典信患昵? 假设a l i c e 军日b 曲共攀处于纠缠态的对粒予，葳丽在蓠者之瓣建立了篮子逶邋。 a l i c e 在四种可能的幺正变换中锫选一种对其纠缄粒子a 进行操作，这种作用实际上 是将两个跑特静经典信惫进行缡鹞。英麓，a l i e e 将粒子a 发送给b o b ，b o b 逶：i 重辩嚣 个粒子进行b e l l 基联合测量，即可确认剐i c e 所做的变换，从而获得2 个比特的信息， 氇就是诞，仅髓遴过传送一个藏子霞蕤簸功遮铸遴2 令滋特瓣经襄痿惠。遮藏是爱潺 的“密集编码”( d e n s ec o d i n g ) 5 1 。 奥穗裁i n n s b r u c k d 、缀已经裁援与量子豫形蕊悫撩溺懿装置实现了理秘撵 睾的三 种，即传送了1 5 8 b i t 的信息【6 1 。中国山西大学的研究小缎则完成了连续变晟的密集 编羁”。 北京邮电大学硕士论文第一章量子通信的基础理论及实现方式 1 3 量子密码术及其在保密通信中的应用 目前，广泛用于金融行业的保密通信系统是一种所谓的r s a 公钥体系，它的安 全性基于大数因式分解这样一种不易计算的单向函数( o n e - - w a yf u n c t i o n ) 。数学 上虽然没有严格证明这种密钥是不可破译的，但现有的经典计算机几乎无法完成这 种运算。 s h o r 算法 8 1 已经证明，采用量子计算机可以轻而易举地破译这种公钥体系。也 就是说，一旦量子计算领域获得重大突破，它所具有的特殊性能，将使现在的公钥 体系彻底地“无密可保”。 另一方面，量子通信已经成为目前科学界公认的惟一能够实现绝对安全的通信 方式，它利居 呈于力学的测不准原理和量子不可克隆定理，通过公开信道建立密钥， 除当事人之外的第三方根本不可能破解其密码。其最终可以解决通信的绝对安全性 等经典通信所存在的但是又无法根除的一系列根本性问题。 量子密码学是量子物理学与密码学相结合的一门新学科，它的理论首先是由美 国哥伦比亚大学的sjw i e s n e r 提出的，1 9 7 0 年左右，他撰写了篇题为“共轭编码” 的论文，文中提出了量子物理学至少在原则上可用于完成两项从经典物理学观点看 来不可能进行的工作，其一是制造物理学上不可伪造的钞票，另一项就是利用量子 来传送消息的方案。与此同时，1 9 7 9 年b m 公司的chb e n n e t t 和蒙特利尔大学的 gb r a s s a r d 了解到w i e s n e r 的观点后便开始考虑量子密码术具体的实施方法，提出 了一些早期的方案，1 9 8 9 年m 公司在t h o m a sw a t s o n 研究中心建立起了一个能够完 全工作的原型样祝。昌前，量了密码术的研究引起了人们的广泛兴趣在理论和实 验方面均取得了重要进展。采用光纤传输线已经实现了4 8 k m 的密钥传送，自由空 间的量子密码实验也取得了很大进展。 目前，量子密码的方案主要有以下几种： ( 1 ) 基于两种共轭基的四态方案，其代表为b b 8 4 协议【9 】。 ( 2 ) 基于两个非正交的两态方案，如b 9 2 协议l l o l 。 ( 3 ) 基于量子纠缠的e p 刚宦子对方案，由e k e r t 于1 9 9 1 年提出，称为e 9 i 协议 1 1 。 ( 4 ) 基于正交态的密钥分配方案，其基础为正交态的不可克隆定理【1 2 - 1 4 。 量子密钥分配的第一个演示性实验i 扫b e r m e t t g $ 入完成的f l ”。随后，美国洛斯阿 拉莫斯国家实验室创造了目前光纤中量子密码通信距离的新纪录。他们采用类似英 国的实验装置，通过先进的电子手段，以b 9 2 方案成功地在长达4 8 k m 的地下光缆中 传送了量子密钥1 1 6 。自由空间中的q k d 也不断地取得突破，现在达到的传输距离为 趣衷麟电太学硕士论文辩一霸 盈子避信勰基黜瑾论获蜜理方式 l1 5 k i n 。在串国，爨子鬻玛通僚秘辨究剐嚣起步，中露科学貔物理龋究掰予1 9 9 5 年 以b b 8 4 方案在圜内酋次做了演示性实验，华东师范大学孀b 9 2 方寨做了寰验，但郄 是在距瘸玻短羽自国空阐璧进行豹。2 0 0 0 肇，中萤科学麓秘理磷究所与串謦辩学院 研究生院台作，在8 5 0 n m 的荦模光纤中完成了1 1l i o n 的量子密码通信演示性嶷验。 在上述方象中，量予密锈愚在滔熹之间传辕鞠建立的，困丽舔麓点瓣煮豹健辕 系统。稼锱分配悲凝实掰纯，靛赫颁在嘲络中褥以嶷瑶，能够迸行一点辩多点或者 任意两点之满静密锾传遴。鼹绥密绸传赣番瓣获、麓：获、链袋等多耱绩耩。 关于璧子僳密遁信，誉虢袄然襻在徭多蠲蘧鬻簧解决，冀中麓稽薰予秘密共事、 鼹络量子番码、努螃谈诞、数享签名，敬爱簸遴疆积鲢蘩予据绞譬，整燕这鍪方案 瓣後越瞧程灌谂上融经撵到证赛。 4量子遴信的一种基本实现方式 囊予i 鼓信斡基础是，程鼯个相距一定躐离的点之间产生震予纠缝态。髫褥拳术 羚穗提掇麓双撰嚣踉态骼为纠缠态进纷遥程传赣，特别是剩露光弧子隧缭杰透过 相干形成绑缠态，构成黛予e e 耨来遴行实用性薰子邋信。 飘实验上营次获得疆缝惫光场紧今愆青十多每。研究表疆，光学参熬攘荡器 ( o p o ) 与光学参鬣藏大器( o p a ) 是产生压缩先的有效装露 l ”。实验上已囊霹德 戳下豹麓势和嚣簿并光学参藿掇荡器获褥攀模歪结真空态、双模瓣缭冀奎悫，由阙 德凝憋嚣篾势党擎参熬擞蕊器获褥强滚嫠压缭党，s 馥溅e 叫、缀首先瓢联论上讨论 了淀入警琢殇不兔零戆簇势龙攀参爨藏文器( d o p a ) ，它袭凌蠢诲多每0 争0 不鬻 瓣戳矮，1 9 9 6 年，该，l 、缀袋爝萄弗髭擘参蓬教丈器获褥稳定嚣雩簿长这3 6 h 静、箍雅发 炎4 1 3 d b 熬攀模鹗蹇歪交匿缝态建璐。避年来，荧予# 缀典炎场瓣臻究燕点嚣集巾 在豢子遴禳豹瘦藤方覆，爨予褰镑稔态筑戏秘安糍燹激怒了a 稍磺巍兵鸯爨子关联 的e p r q 绫瓣兴趣。r e i d 莓曩d r u m m o n d 予2 蠼纪s 暖：找寒获毽论上提爨，爵戳翔菲越 弗巍学参煮攘大嚣( n o p a ) 蕊弩壤与耀置耧戆委交穗垃毒撅堰分豢塞璎壤戆意义 上懿e p r l q 缝。1 9 9 2 年，k i m b l e 小缎f f 8 l 繁次从实验上涯明，运转予阏值娃下骢非簿 势炎学参煮振荡器( 可筏兔注入场海真空熬光学参螯敷大爨) 输掇瓣嚣令转换摸其 有e 瓢凳子捆关憔，宅们在4 5 。方向上躲德握耦舍模是双模难交压缭光。 踅t 一2 是n o p a 的理论骥壁，擞l 类i # 缄性奔臻搔入f p 驻构成。整蠹岔有三 个模，撒运援a o 岛信号横m 靳添鬣模a 2 ，倍号模与闲鬣模的偏振方恕襁互臻壹，它们 北京邮电大学碗士论文第一章量子通信的基础理论及宴现方式 的共振频率分别为om2 w 1 = 2 c 0 2 。n o p a 腔镜对三个模都有透射损耗，撼运光口0 与 注入光n _ 和a 孑通过左端的腔镜藕合副腔内，压缩光通过右端的腔镜输驽到腔外。 图1 - 2n o p a 输入场与输出场关系示意匿 其中z 2 为a # 线性晶体，d 。为搬运模，a l 为信号横， 口2 为闲置模矽( f = o ，1 ，2 ) 为真空场输入 乍( i = 0 ，1 ，2 ) 表示右端腔镜对a f ( i = 0 + 1 ，2 ) 模的透射损耗速率，m ( f = 0 ，1 ，2 ) 表 示左璇齄镜对哦 学十趣学r 3 时，存在不止一个实檄，即有双稳态出现；当抽运光和注入光相对相位( 抽运光 韧始秘爱多。麓注入光耱戆稿食( 磊4 - 磊) 之羞 一定辩，疼爱姥辜密度涟捷运动率 的增加而增加，随注入光功率的增加丽增加；巍注入场和抽运场的平均功率一定时， 内整功率密度随抽运巍与注入光之翅相对相位参呈周期性的交纯。当= o 时，内腔 功率密度最大，当毋一稍于，内腔功率密度最小。 通过计算可知n o p a # 1 裔如下的最子特憷唧】：当搬运光与注入光棚对相位为一 致( 毋= o ) 时，明亮耦合模之芷交相位分量被压缩，信号模与闲置模是频率筒并的 _ 妊豪鼬电犬举硕士论空 棼一辫受予遥信辑萋端理谂捷鬟现方式 擎难光荣，目嚣寸冀空耦台援之曩交振幅分豢被嚣缩；当撼遮光与注入必相对楣豫稻 反( 毋一霄) 时，明亮耦仓横之硪交振幄分鬟被腻缩，同时真空藕合模之茂交相使分 塞披垂缝：真空攥密摸与明亮耩舍模尽镑萼被鬟缓鹣正交分爨不嗣，疆聪缝凌摆霹。 庭阙毽( 笼信琴注入融，光学参堂摄蕊腔的瞬镶) 皴下，被匿臻分爨戆噪声照挞运 动率懿增大恧缓，l 、，在阙靛醛逡鬣小；燕被压缫分燕熬噪声睫n o p a 输患耩窘效牵 f = i 一瀚僮豹濑大丽减小。 y 十p 畿够产生舞豢子瀵信系统掰怒鹣黢骥惩缀毙懿实验装鬟魏鬻1 3 嚣拳，攀壤稳 瓣d ：y a 淋彳p 激光嚣输溅豹继鬏光( 5 4 0 n m ) 攘运蠢鼗一秘害l 斡k t p 暴体( 长 ! q 浆整) 每葵羧遗爨会镜缀戏麴建攀参量羧丈器，继鞭竞经过掰令拳浚, q - x ，2 、一个编 掇分毙棱镜( p b s ) 、一个法拉蘩麓转嚣( f 一歉) 帮一个莛黎透镜繇注x n o p a ) 空： 输嫩豹一部分蒸频光经电巍摆嵌调毒爨p m 、隔离嚣、疆配透镶犟鞋半波蔑b 艨震，撵 魏绩号光没a 炎学参量放大器；勇一部分缝摸瀵渡器嚣终凳零庶宠浚入乎搂 零熬攘 测系统。k t p 黩体的前端镀绿必增透膜鞠绂步 全反膜，羧 酸n o p a 的辕入鹚合镜； 舄一斌镀磷对1 0 8 0 r i m _ 秘5 4 0 r i m 敬双增透骥；输魏疆囊镜瓣馥率拳经必5 0 m m ，对 5 4 0 n m 光全反，j c 寸t 0 8 0 n m 光的透射率为5 输蹴藕会镜阂崽在聪电陶瓷( p z t ) 上， 翅柬锁定n o p a 勰簸长。n o p a 静总黢长约为5 2 m m ，k t p 晶镩豹6 毒蠹与农平方向平行。 旋转n o p a 腔前的举波嚣h 2 ，俄抽运光岛k t p 晶体的b 轴一致；旋转n o p a 腔前的半 波片沁，2 ，使注入绩号凳弱镳振蠢翔与妒弼裁懿k t p 晶俸的务辘或4 5 。这样，信号 光沿礤”晶箨静礴自帮d 皤分解必两撩幅糯等、偏掇燕交静光，与谪缀宵向警稃予搿r p 鑫体之6 麓瓣绩蘸蠢进稽嚣线毪转换。k t p 蘸俸麓予一燕溢妒串，键熬磊律辩澈度使 褥其羲蘸满足二癸稚l 陡券鞭位霞配条彳牟，又驻幸 偿髂号澎巍阉黉光静折瓣零偏差， 键信号毙帮阕繁兜瀑翼孪莛掇；螽予嵇号是的注入，筏霉燃哥遮逡遍繁镶籁菝寒 潺镧频率淹2 0 粼z ) 镶定在漫入汽的籁攀士，褥翱稳定静辕密，镶定黢教靛谈麓 售号蘸凝禳n o p a 黪反辫巍熬掇灏嚣占 3 嚣墨x 5 0 0 ) 之交瀵输逡露潺雾燕琴经漫壤嚣 褥翻；强了镁定糖逶走秘浚入必熬裰嚣糖毯，凝黼鞠羯疆患在珑墨上，势续p z 瓢 热5 k h z 懿撼动，将搽测嚣搀( e t x 5 0 0 ) 鲶壹溅浚嶷羧入续蠼救丈嚣，镁魍簸大嚣 戆羧出筑惑莲羧丈鞠在强鬈瓣p i 譬上，控臻4 豹键璧，获嚣羧铡热运毙豹褪甓，夔参 囊放大器稳定域工作在披犬( 曲一o ) 或壤小( 势状态。n o p a 妁输出爝与离予阕 毽瓣n o p o 兹辘撼坜不黼，嫩予疆峰光懿注a ，辘爨信号臻冬闲爨攥寿嚣定熬提搜 关系，将台成一线镳光( 与水平方肉成4 5 0 ) ，磷高于阈德的n o p o ，其僚号模与溺 l o 北京娜屯大学硕士论文辩一章 量子透德鸵基础理论及实现方戴 置模无固定的穗位关系，输出场合成一自然光。实验时，首先观察n o p a 的经典增 益，调节k t p 晶体的温度，使信号模与闲置模熬振，q ! e n o p a 锁定的情况下，经典 增益约为4 0 倍左右。 综上可觅，m n o p a 可获得双模喇篪正交聪缩光及孵亮e p r 光束+ 豢抽运光与 注入光相位一致( i np h a s e ) ，输出场的明亮耦台模为藏变相位鹰缩光，信号模与闲 置模为振幅正美联、稳位反关联的嚼亮e p r 竞柬；当抽遮光与淀入光穗靛裙反( o u t p h a s e ) ，输出场的明亮耦合模为正交掇幅压缩光，信号模与闲篷模为振幅反关联、 裙位正关联的确亮e p r 毙素。这瓣高稳定整、淼关联凌翡疆亮e p r 竞乘豹获得对完 成和验证许多理论上已提出的墩子通讯的实验方案，如爨子离物传态、量子密熊编 码戳及燕子魏锩等都其骞重要爨义。 豳1 3 产生明亮双模压缩光及明亮酆蝴| 的实验装鬟图 x = 5 4 0 r i m t 琏= 1 0 8 0 n m ，p b s 为傣援静束棱镜，p m 淹楣位调截器，p z t 为趱电羯瓷 北京孵魄大学碗士论文第= 章飞秒激光辣挣技术 2 1引言 第二章飞秒激光脉冲技术 爱兹，实理量子逶偿实雳绽熬关键在予翔秘建立量予透信接道，铡矮鲥缠态则 是其中很重要的一种手段。目前，实验中产生量子纠缠番最重要、最方便、最常埔 豹方法壤是壹参燕下转换技术，遗过菲线性晶体的皇发参量下转换过程产生豹双兜 子纠缠态，可以在实验中成功的完成莺子隐形传态，量子密集编码，量子密码等许 多重要实验。霸此，自发参量下转换过糕的碘究敷成为一个焦点问题。蕊善最常 用的就是利用超短飞秒脉冲泵漓来完成自发参羲下转换过程，所以，实现飞萤缀 的超短脉冲就成为量子遇信实验研究的糕础。人们已经利用可调谐掺钛蓝宝石激光 器产生飞移脉冲，经过倍频之麝得到泵满光源，通过泵浦非线谶b b o 晶体冒产生可 见纠缠的双光予对。 双兜子绷缝态斡产爱依据冀泵滞竞瀚不霹，通常冒以分为遥续竞泵涛和超短脓 冲泵浦的参量下转换两种。两者的区别主要在于，泵浦光的相干长度不同，显然连 续光的稳干性较赫冲激光耋 ，冀终，连续激麦聚滤产生鲶双竞予纠缠态瓣在霹阕主 是随机的，以一定的概率产生双光子纠缠对，而超短脉冲经过非线性晶体后产生的 双竞子澍露壶熬律对阉来凌定，魄藏是哭蠢当稼净经过爨体释君霹琵产生竣麦予对。 超短脉冲由于其光源的性质决畿了其产艇的双光子纠缠澍的特殊用途。实验中首次 采蘧超簸藏、痒产生赘双毙子纠缝鼹是在1 9 9 7 年，爨建剥i n s b r