基于本地本振光方案的连续变量量子密钥分发相位参考建立的研究

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量子信息中发展最为成熟的研究方向非量子密钥分发莫属。而作为量子密钥分发的分支,连续变量的量子密钥分发也因其特有的优势而受到广泛关注。连续变量量子密钥分发因使用相干探测而非单光子探测所以能够使用经典光通信器件来实现。而相干探测中本振光的选择滤波作用,使得连续变量量子密钥分发相比离散变量的量子密钥分发更容易和经典光通信网络进行融合。基于高斯调制的相干态的连续变量量子密钥分发协议的安全性已经得到了比较完善的证明,然而实现装置与理论模型的差异会导致安全性漏洞,使得产生的密钥不安全。值得注意的是,在连续变量量子密钥分发具体实现中使用到的本振光并没有被纳入到理论安全性证明中。本振光若经过量子信道将会影响到连续变量量子密钥分发的安全性。然而在早期实现中,信号光和本振光都是由发送方产生的。这样虽然可以很容易建立稳定的相位参考,但由于本振光跟随信号光一起经过了量子信道,本振光就很容易受到攻击。为了从根本上抵御这些攻击,本地本振光方案被提出来了。不过该方案面临着建立稳定相位参考的挑战。本文主要介绍连续变量量子密钥分发相应的理论基础和基本实现,给出其近些年来理论和实验的发展,以及本人在博士期间的主要工作。本人在博士期间的工作主要是研究连续变量量子密钥分发的本地本振光方案,特别是对该方案中相位参考的建立进行研究。本文的主要研究内容是完善了本地本振光方案中相位估计方法,给出了两个激光器之间的频率锁定与频差测量方法。此外,为提升成码率改进了高斯调制的相干态协议,为完善实用安全性提出了探测效率的严格标定方法。在协议的改进方面,文中给出了改进后的两个双重高斯调制协议,相比原有的协议,这两个协议能实现更好的参数估计,且不会消耗原始密钥。在相位估计方法的完善方面,本文讨论了在不同的探测方式,不同的系统重复频率,不同的光学设计情况下如何实现更好的相位估计。为了建立起本地本振光方案中两个激光器的相位参考,本文给出了光注入锁定和外差光锁相环路两种锁频方案,这两种方案也可以用于双场量子密钥分发中。在光脉冲处于单光子水平的弱光情况时,可以利用激光器自干涉的方法来实现两个激光器频率差测量。在探测效率的标定方面,本文分析了常规标定方法存在的不足,并给出严格的标定方法,关闭了因过高标定探测效率导致的安全性漏洞。
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