摘要自从量子密钥分发演示试验的成功以来量子密码术得到.doc

摘 要 自从1992年量子密钥分发演示试验的成功以来，量子密码术得到人们越来越多的关注，并在近年来得到迅速的发展，针对原有各类密码体制在安全性方面所存在的缺陷，基于量子理学的测不准原理和不可克隆原理为依据的量子密码术，在理论上达到了绝对的安全，并以此优点，将很快在网络通信上得到广泛的应用。 量子密钥分发系统总体上可分为准单光子源的系统和纠缠光子源的系统，截至1992年为止，所提出的量子密钥分发协议共有三种，包括应用于准单光子源系统的利用偏振光进行量子密钥分发的BB84协议，和使用两个非正交量子态来实现密钥分发的B92协议；以及应用于纠缠光子源系统的利用两个粒子纠缠态进行密钥分发的E91协议。本文对国际上量子必威体育官网网址通信的研究进行了概述和分析；分类介绍了几种具有代表性的量子必威体育官网网址通信系统，包括准单光子源的实验系统和纠缠光子源的系统；分析、比较了各种系统的优缺点。其中，准单光子源的实验系统又可分为偏振编码实验系统和相位编码实验系统，而纠缠光子源的实验系统又可分为偏振编码系统、相位编码系统和明亮EPR纠缠光束的偏振编码系统。另外再基于原有系统的基础上，针对各类系统的缺点，介绍一些相应的改良系统并分析其优点。最后，我们还搜集了一些新型的系统，包括相位－偏振编码的量子必威体育官网网址通信系统、差分相移键控协议的双向量子密钥分发系统、时间和相位混合编码的量子密钥分发系统以及条件参量下转换光子对的非正交编码诱惑态量子密钥分发系统，分析各系统的优点；同时还指出了未来量子必威体育官网网址通信系统的发展方向。 关键词 量子必威体育官网网址通信 单光子源 纠缠光子源 偏振编码 相位编码 目 录 1 前言 1 2 准单光子源的实验系统 1 2.1 偏振编码实验系统 1 2.1.1 光电开关实现偏振编码的实验系统 2 2.1.2 四个激光源实现偏振编码的实验系统 3 2.1.3 偏振稳定控制下的实验系统 3 2.2 相位编码实验系统 5 2.2.1 利用Mach-Zehnder干涉仪实现相位编码的实验系统 5 2.2.2 “即插即用”编码系统 6 2.2.3 相位编码改进系统 7 3 纠缠光子源实验系统 12 3.1 偏振编码系统 13 3.2 相位编码系统 13 3.3 明亮EPR纠缠光束的偏振编码系统 13 3.4 新型纠缠光子源实验系统 14 3.4.1 基于超纠缠交换的量子密钥分发系统 14 4 其它新型实验系统 15 4.1 相位－偏振编码的量子必威体育官网网址通信系统 15 4.2 基于差分相移键控协议的双向量子密钥分发系统 16 4.3 时间和相位混合编码的量子密钥分发系统 17 4.4 基于条件参量下转换光子对的非正交编码诱惑态量子密钥分发系统 18 5 结语 19 致 谢 21 参 考 文 献 22 Abstract 23 1 前言 量子必威体育官网网址通信[1]是近年发展起来的一种绝对安全的密钥分发技术，其安全性以量子理学的测不准原理和不可克隆原理为依据，即在异地共用相同的光子产生密钥，密钥产生过程中的窃听在密钥产生事前即被发现，相比于各类传统密钥体制而言，理论上可以证明是绝对安全的。自从1992年量子密钥分发演示试验的成功以来。各类实验系统在实验室相继采用，有基于BB84[2]协议和B92[2]协议对单光子源的要求采用的以微弱光为实际光源的实验系统，有基于EPR[2]协议采用的以纠缠光子源为实际光源的实验系统。目前研究处于国际领先水平的国家，如美国、英国、瑞士，已经逐步走向应用。如美国2000年在自由空间使用量子必威体育官网网址通信系统成功实现传输距离1.6km，英国BT实验室已在常规光缆线路上实现量子必威体育官网网址通信距离达55km，瑞士日内瓦大学成功建立量子密钥分发系统——跨湖传输长达23km。目前，量子必威体育官网网址通信距离已超过100km。在瑞士、美国，量子必威体育官网网址通信系统已经商品化。在中国，量子密码通信的研究起步较晚，但通过自身不懈努力，以及与国际领先水平国家的合作，取得了不错的成绩，如2007年国际上首个量子密码通信网络由我国科学家在北京测试运行成功，这是迄今为止国际公开报道的唯一无中转、可同时、任意互通的量子密码通信网络，实现了150km的室内量子密钥分配[3]。本文着重介绍采用单光子源实验系统和纠缠光子源实验系统以，以及相应的系统改善，并介绍一些新的实验系统，分析各种系统的优缺点。 2 准单光子源的实验系统 目前真正的单光子源在实验上很难实现。在实际实验系统中往往利用强衰减的激光脉冲来代替理论上的单光子，即经过强衰减系统使输出光每脉冲平均光子数为0.1，在此条件下，就可认为在光路中传输的是单光子脉冲。利用单光子源的实验系统一般采用两种编码方式：偏振编码和相位编码。偏振编码系统的优势在于结构简