空間量子密鑰分配中的偏振劣化及系統(tǒng)改進設計.pdf

1、在這個信息呈爆炸式增長的年代，信息的安全問題日益突出，保密通信的需求日益增長。安全密鑰的獲取是保密通信的關鍵。量子密鑰分配由于可以提供大量安全密鑰的分發(fā)而受到人們的青睞。經過二十余年的發(fā)展，在量子密鑰分配的兩大關鍵指標，即實現(xiàn)密鑰分配的距離和成鑰速率兩方面都有了巨大的進步。
　　 但是，從目前的空間量子密鑰分配實驗結果來看，當傳輸距離大于10公里時，誤碼率都在5％以上，最終的成鑰率只有幾百bit/s。由于空間量子密鑰分配一般采用

2、偏振態(tài)編碼方式，如果信號光子的偏振態(tài)在產生或傳輸?shù)倪^程中偏離了密鑰分配協(xié)議所要求的理想偏振態(tài)，即偏振發(fā)生劣化，將導致密鑰誤碼率的增加。因此，有效解決空間量子密鑰分配中的偏振劣化問題，是降低系統(tǒng)誤碼率、提升密鑰分配效率的關鍵之一。本論文圍繞空間量子密鑰分配中的偏振劣化，包括系統(tǒng)中光學器件的不理想所導致的信號偏振光子的偏振態(tài)的轉換以及大氣傳輸所帶來的信號光子的退偏振效應，進行了以下幾個方面的研究：
　　 （1）分析了空間量子密鑰分配

3、系統(tǒng)中偏振劣化的器件來源。指出光在光學器件的介質分界面處折、反射時的偏振相關特性是系統(tǒng)中偏振劣化的物理根源。用來分/合束的偏振無關分束器（NPBS）的偏振相移特性的誤差是系統(tǒng)退偏振的重要來源。采用瓊斯矩陣法就NPBS對系統(tǒng)誤碼率的影響進行了分析。提出對光路布置設計的改進方案，在這一方案中，只對NPBS的透射p光與s光的相移差有性能要求，可以降低NPBS的偏振相移誤差對誤碼率的影響。并改進設計了滿足系統(tǒng)設計要求的新型NPBS。分別選用一般

4、NPBS和改進設計過的NPBS構建空間量子密鑰分配系統(tǒng)，進行室外200米及1.3公里的空間量子密鑰分配對比實驗。實驗結果與理論預期符合基本一致，改進NPBS的設計及接收端光學系統(tǒng)的光路布置使系統(tǒng)誤碼率降低了2.6％，證明了對系統(tǒng)設計方案改進的有效性。
　　 （2）提出了基于正交對稱結構的空間量子密鑰分配系統(tǒng)的改進設計方案。在這一方案中，發(fā)射端和接收端采用同一種NPBS，兩者相互呈90°放置，使得經過第一個NPBS的p光相對于第二

5、個NPBS是s光，而經過第一個NPBS的s光相對于第二個NPBS是p光，從而抵消NPBS對透射p光和s光的相移差。這使得無需對NPBS的透射p光與s光的相移差作性能要求，就可以降低NPBS所帶來的偏振劣化對誤碼率的影響。采用瓊斯矩陣方法對這一方案的有效性進行了理論驗證，并給出實驗系統(tǒng)的示意圖。
　　 （3）采用蒙特卡羅方法詳細分析了偏振光在云霧大氣中的退偏振及傳輸損耗特性。分別針對不同濃度及不同平均粒子半徑的云霧模型，在不同的空

6、間量子密鑰分配系統(tǒng)的接收機參數(shù)下，進行了數(shù)值模擬。得到了在不同的接收機參數(shù)下，偏振光經過云霧大氣傳輸后的傳輸損耗及退偏振變化規(guī)律，為分析穿越云霧的空間量子密鑰分配提供了理論基礎。搭建了測量偏振光經過大氣傳輸后的退偏振效應的測試裝置，給出了在合肥地區(qū)測得的累積實驗結果。
　　 （4）進行了云霧大氣中空間量子密鑰分配的誤碼率仿真計算，討論了不同云霧大氣下空間量子密鑰分配的可行性。結果表明，在實際接收機系統(tǒng)參數(shù)下，多次散射引起的光子的