相位编码量子密钥分发系统的电子学设计

相位编码是目前基于光纤传输的量子密钥分发(QKD)系统采用最多的方式,对控制电子学的设计提出了诸多挑战.本文在介绍相位编码QKD系统控制电子学整体设计基础上,重点分析相位编码QKD系统在同步机制、自动相位扫描补偿等方面的特殊要求和设计实现.本文设计的控制电子学和必要光学器件组成的QKD系统可以作为量子密钥分发网络中独立...     

量子密钥分发系统中的相位调制器特性分析

在量子密钥分发系统(QKD)中,LiNbO3波导相位调制器是构成单光子干涉仪的关键器件。文章阐述了LiNbO3相位调制器的相位调制特性、偏振特性及其对量子密钥分发系统的影响,介绍了退火质子交换工艺制备的线性单偏振LiNbO3相位调制器与采用钛内扩散工艺制备的低偏振相关损耗(PDL)LiNbO3相位调制器的性能指标。     

量子密钥分发系统防死时间攻击方案研究

为进一步提升量子密钥分发(QKD)技术的实用性和安全性,挖掘QKD系统中可能存在的安全漏洞并研究相应的防御策略是该领域的一个重要研究方向。死时间攻击是一种针对具有多通道探测器的QKD系统的攻击方式,攻击者利用单光子雪崩光电二极管的死时间效应实现对指定通道的致盲以破坏QKD系统生成密钥的安全性。针对该类型攻击,提出了一种能够有效防范攻击的基于时间测量的动态死时间设置方案,该方案通过使用TDC时间测量技术确保多通道探测器能够同步进入与退出死时间状态从而实现防御目标。经试验平台验证,该方案具备可行性。     

一种偏振检测QKD系统相位调制器驱动电路设计

回顾了相位编码方式实现协议的量子密钥分发实验研究的演进历程和最新进展,选取基于Michel son干涉仪的相位编码、偏振检测单向QKD系统为实验平台,提出一种以单片机和FPGA为核心的相位调制器驱动电路设计方法,并给出了相应实验结果,达到了预期的实验目的.     

量子点单光子探测器的研究进展

量子点单光子探测器具有可保持测试信号完整性、理论量子效率高、工作电压低等优点,同时具有室温单光子探测的潜力,最近得到了广泛的研究。文章介绍了基于三种不同形式量子点的单光子探测器,讨论了它们的工作原理,对比了各自的性能和参数,总结了各种器件的特点,说明了自组织量子点单光子探测的优越性能。     

基于最小二乘法的相位编码QKD中的主动相位补偿

为解决相位编码的量子通讯系统中量子密钥相位漂移问题,以降低量子密钥分发(QKD),系统的误码率,克服已有算法存在的计算量大、测量精度低和复杂度高等问题,提出了基于最小二乘的主动相位补偿算法,可在单光子情况下通过扫描少量相位点,应用最小二乘法,即可获得较高精度的相位补偿。实验仿真表明,本文算法可以在较短的时间内得到相位漂移参数并进行实时主动补偿,提高了QKD系统的运行效率和性能。     

量子密钥分发系统的实际安全性

量子密钥分发利用量子力学原理实现通信双方之间无条件安全的密钥传输而不被未经许可的第三方所窃听。目前,单光子QKD协议,纠缠光子对QKD协议,连续变量QKD协议等在理想的光源、信道、探测模型假设下已经被证明具有无条件安全性。然而,实际QKD系统所采用的非理想实际物理器件往往不完全符合理论安全性分析中的模型假设,这将导致比较严重的安全漏洞,从而降低实际QKD系统的安全性。为了抵御实际QKD系统非理想器件所引入的安全漏洞,可以从软件上改进QKD理论安全性分析(将实际QKD系统非理想特性纳入到安全性分析理论中),或从硬件上改进实际QKD系统(增加监控模块以抵御实际QKD系统安全漏洞)。对实际QKD系统光源、信道及探测端的安全漏洞进行了全面总结并给出针对各个安全隐患的抵御措施。     

四态偏振编码解码QKD系统的实验研究

采用一个激光器通过偏振调制器快速偏振编码实现密钥分配,同时用矩阵分析的方法对系统原理进行了理论分析.指出用相位-偏振调制器可以对四种非正交偏振态光子进行编码和解码.在实验室内完成了30 km光纤保密通信,误码率<6%.实验表明该系统可用一个激光器快速编码解码实现密钥分配,具有很高的实用价值.     

1 550 nm升频单光子探测器的特性分析

分析了一种工作波长为1550 nm,利用铌酸锂周期极化波导和硅雪崩二极管构成的升频单光子探测器的性能,给出了应用这种探测器的理想通信系统的结构组成,讨论了升频单光子探测器主要参数:量子效率和暗记数及其与泵浦功率的关系.通过比较得出升频探测器优于传统的InGaAs/InP雪崩二极管单光子探测器,能很好地改善量子通信系统的性能.     

综述:基于轨道角动量光子态的高维量子密钥分发北大核心CSCD

信息安全是国家核心竞争力的重要组成部分,量子密钥分发(QKD)利用量子力学基本原理对信息实现计算复杂度无关的安全加密,是下一代信息安全技术的重要选项。经过三十多年的发展,以结合诱骗态的BB84协议为代表的QKD方案已经非常成熟,并逐渐开始了规模化部署。持续探索基础方案和核心技术是推动QKD发展的基础动力。在单回合通信中,基于高维量子态编码的高维QKD(HD-QKD)技术具有更高的信息承载效率和更强的抗噪声能力,因而具有重要的发展和应用潜力,已成为当前QKD领域的重要研究方向之一。光子的轨道角动量(OAM)自由度原则上具有无穷维希尔伯特空间,是实现HD-QKD的重要物理资源。重点回顾了基于OAM光子态的HD-QKD的发展历程,梳理并讨论了该研究方向的主要技术成果和面临的关键技术问题,并展望其未来发展趋势。     

基于态关联性不完美的诱骗态量子密钥分配

 本文提出了态关联性不完美条件下诱骗态量子密钥分配(QKD)的安全性理论分析模型.借助于QKD的保密放大分析方法,采用实际QKD系统广泛使用的诱骗态编码方案,使相位误码的估计更加准确,进而给出了态关联性不完美条件下诱骗态QKD的最终安全密钥生成率的表达式,刻画了密钥生成率与态关联性不完美、探测器性能和密钥传输距离之间的关系.数值模拟表明,诱骗态QKD的最终安全密钥生成率对态关联性不完美的容忍程度,随着密钥传输距离的增大而逐渐减小,随着探测器探测性能的提升而逐渐增大,因而验证了所给表达式的正确性.     

基于单光子探测器阵列的光谱测量系统

针对目前商用光谱仪无法在极微弱光测量环境下实现光谱探测的问题,提出一种基于单光子探测器阵列的光谱测量系统,利用单光子探测器在极微弱光环境下的探测能力,将虚像相位阵列(VIPA)和反射式衍射光栅构成的二维色散结构与单光子探测器阵列相结合,并通过实验测试得出系统的二维分光效果、相对光谱透射比曲线以及单光子探测性能。实验结果表明:该系统不仅灵敏度高,还实现了0.006 nm的波长分辨率;与目前普遍采用的基于时间相关单光子计数的光谱测量系统相比,该系统具有更优的波长分辨率和更大的测量带宽。     

量子密钥分配系统相位调制器驱动电路设计

通过分析量子密钥分配系统中相位调制器的工作原理和电路性能要求,设计了相位调制器的驱动电路。该方案基于铌酸锂电光相位调制器而设计,通过现场可编程门阵列（FPGA）提供时钟和控制信号,采用高精度的数模转换器和高速模拟开关,能够产生精度可达纳秒量级的驱动信号。该驱动电路成本低廉,调制精度高,功耗较小,实现了对光信号相位的精确控制。经测试,实验结果完全满足系统要求,验证了该方案的可行性与可靠性。     

基于光子芯片的微波光子混频器 （特邀）

提出了一种由光生本振单元和波长分离调制单元组成的微波光子混频方法,并在绝缘体上硅材料上设计实现了上述波长分离调制芯片。该芯片集成了硅基相位调制器、微环滤波器、光电探测器、光耦合器和光栅耦合器。实验搭建了基于该波长分离调制芯片的微波光子次谐波混频系统,结果表明,该微波光子混频器可以将6~16 GHz的RF信号变频到33~23 GHz。此外,针对实验系统中残留的混频杂散,分别提出了增加微环滤波器抑制比降低泄露光生本振强度和引入光移相器修正泄漏光生本振相位两种解决方案。通过仿真验证可知,引入光移相器的方法更为简单,更适合于光子集成芯片。     

基于USB的量子密钥分发系统中高速数据通道的设计

提出了一种量子密钥分发(QKD,quantum key distribution)系统中高速数据通道的设计方案—基于通用串行总线(USB,universal serial bus)的数据通道。通过对QKD系统中经典信道数据带宽的分析,设计了USB数据通道方案,并通过USB的速度的测试给出合适的USB参数。实验表明,此数据通道可以适应光子发射频率为20 MHz的QKD系统,且在带宽方面有很大的余量,可以适应后续QKD系统速度提升的需求。     

相位漂移对相位编码QKD系统及截获-重发攻击的影响研究

针对相位编码量子密钥分发(QKD)系统中存在的相位漂移和截获-重发攻击,分析了双马赫-曾德尔干涉仪QKD系统,给出了探测器的输入信号模型,计算了系统量子误码率及窃听信息量,并为提高密钥生成率提供了一种可能的方法。研究表明,相位漂移会使系统误码率增加,稳定性降低;相比理想的截获-重发攻击,窃听信息量有所下降,因此密性放大过程对窃听信息的估计值可以相对减小,最终密钥生成率得以提高。在不考虑传输光纤中的相位相对漂移时,误码率随相位漂移角度呈余弦变化,全部截获-重发攻击时的变化周期是无窃听时的一半,变化频率更加剧烈。55%部分窃听时,若合法通信者选择误码阈值为15%,窃听者可获得25.5%的信息量且不被发现。     

用于高速量子密码系统的1.25 GHz InGaAs/InP单光子探测器的研制

随着量子密码领域的快速发展,近红外单光子探测器的研究已经成为该领域的研究重点和技术制高点。报道了一种基于正弦门控与滤波技术的InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)高速单光子探测器,门控频率达到1.25GHz。在探测效率为10.3%时,暗计数概率为1.3×10-6/gate,后脉冲概率为5.6×10-5/ns。这种高速单光子探测器将大幅度提升量子密码系统的两个关键指标——密钥率和传输距离,为下一代高速量子密码系统的实用化应用奠定了基础。     

基于自旋-光子相互作用实现量子纠错码

基于光子与量子点自旋的相互作用设计了一个实现三量子比特重复量子纠错码的方案。在该方案中,偏振光束分光器,光子探测器和微柱腔是必须的,且能实现单电子自旋的非破坏性测量,对量子信息处理具有重要意义。对实验方案的可行性讨论表明：该方案在当前实验技术范围内是切实可行的。     

量子密钥分发系统中高精度同步方案设计

针对光纤量子密钥分发(QKD)系统中信号同步的关键问题,提出了一种光同步方案。发送方通过现场可编程门阵列（FPGA）产生一定特征的同步脉冲序列驱动同步激光器,产生的同步光和信号光耦合到一根光纤传给接收方。接收方经过高速甄别后使用高频时钟来“采样”接收到的同步脉冲序列,使得双方达到严格同步;同时经过高精度延时调整后提供给单光子探测器作为门控信号,最大限度地去除暗计数。该方案具有高精度,低成本,容错性好的特点,已经成功应用于城域量子通信网络。     

基于自旋-光子相互作用实现量子纠错码（英文）

基于光子与量子点自旋的相互作用设计了一个实现三量子比特重复量子纠错码的方案。在该方案中,偏振光束分光器,光子探测器和微柱腔是必须的,且能实现单电子自旋的非破坏性测量,对量子信息处理具有重要意义。对实验方案的可行性讨论表明:该方案在当前实验技术范围内是切实可行的。