核电子学技术原理.ppt

离线技术 数据处理 专家决策 系统模拟 ... 总之：核电子学是一门交叉学科，当一种新的技术出现时，往往很快就被应用到核电子学领域。核电子学的发展，一直跟踪着最先进的电子技术和计算机技术。 * 核电子学系统的组成 一个核电子学系统大体可以分成以下几部分 电信号模拟调理电路：包括前置放大器、主放大器等。 事例选择电路：包括符合电路和触发判选电路等。 模数转换器：包括幅度-数字变换器（ADC）、时间数字变换器（TDC）、位置数字编码等。 数据获取：包括专用硬件数据获取系统（如多道分析器）和基于计算机的数据获取系统。 * 核电子学系统的基本结构 * 核电子学系统的基本结构 前端电子学 实现滤波、成形处理、信号放大等功能 触发系统 一次作用产生一个结果，其结果的信息集合称为一个事例 触发判选系统对原始事例进行甄别，产生事例的选通 判选原则：必须与作用时间相关联、不丢失好事例、尽可能剔除本底事例、尽可能减少死时间 一般采用多级触发判选 数据获取系统 将前端电路各部分信息按一定格式收集,组成事例信息集合 对事例进行预处理 对事例进行进一步判选,并记录在永久媒体中 实验的在线监测和检测 * 核电子学应用：天文技术 天文技术中应用的核电子学关键技术： CCD前端低噪声读出 高速高精度ADC采样系统 高速数据读出与传输 低温低压条件下的电子学研究 控制节点的控制和处理 软件架构设计 控制流程研究 软硬件的集成 数据获取系统状态监控 故障诊断和处理 * 核电子学应用：量子光学 传统的RSA密码系统 其安全性建立在经典计算机分解大数因数的十分困难的基础之上 是目前最广泛被采用的公钥密码系统 量子计算机 量子Shor算法，将大数因子分解的计算复杂度从指数关系转 为多项式关系 RSA公钥加密术将不再安全 * 核电子学应用：量子光学 量子必威体育官网网址通信：基于量子力学的基本原理，而非计算的复杂性，来实现量子密钥的产生与分发，以保证信息的绝对安全 量子测量原理 不可克隆原理 量子不可分割 一次一密，完全随机 * 核电子学应用：量子光学 量子必威体育官网网址通信的基本方案 BB84协议：基于两种共轭基的四态方案，利用单光子量子信道中的测不准原理 B92协议：基于两个非正交量子态性质的Bennett方案，利用非正交量子态不能同时精确测量的原理 E91协议：基于量子纠缠ERP关联光子对的Ekert方案，利用ERP（Einstein-Podolsky-Rosen）效应 * 核电子学应用：量子光学 基于QKD（Quantum Key Distribution）的量子必威体育官网网址通信 * 核电子学应用：量子光学 基于QKD的量子必威体育官网网址通信 * 核电子学应用：量子光学 基于QKD的量子必威体育官网网址通信 真正意义上的单光子源还无法实现，一个脉冲中有一定概率会发射多个光子 如果从多光子态中分出一个光子，就可窃听到信息并不被通信方发现 Decoy（诱骗态）方案：在信号态中参杂部分Decoy态，其光强与信号光成一定比例，如果第三方用分光子的方法窃听，将导致接收方的信号态与Decoy态比值发生变化 * 核电子学应用：量子光学 基于QKD的量子必威体育官网网址通信 * 核电子学应用：量子光学 量子必威体育官网网址通讯中的核电子学： 单光子源 脉冲宽度窄 工作频率高 波长、线宽、功率稳定 高精度同步系统 时间晃动小 同步激光的发送与探测 单光子探测器 探测效率高 暗计数小 * 核电子学应用：量子光学 量子必威体育官网网址通讯中的核电子学： 控制逻辑 同步 数据获取 密钥提取 身份认证 基矢对比 纠错 通讯管理 密钥管理 加密/解密逻辑 通讯控制 . . . * 核电子学应用：量子光学 单光子探测方式 光电倍增管 高灵敏度、高增益、响应快、成本低 需要工作高压，感光波段截止于1050nm，不适用光纤通讯 超导单光子探测器 暗计数低、重复频率高、后脉冲概率低 工艺复杂、生产成本高、需要制冷和真空环境，体积庞大 半导体单光子探测器 体积小、性能适中、功耗低 封装方便、生产运营成本低 是实用化量子必威体育官网网址通讯中理想的单光子探测设备 * 核电子学应用：量子光学 半导体单光子探测器 Si-APD（400-1100nm）、Ge-APD（800-1550nm）、InGaAs/InP-APD（900-1700nm） 在光纤通讯中，一般使用1310nm和1550nm两个波段，多采用InGaAs/InP-APD探测器 在自由空间通讯应用中，多采用Si-APD探测器 工作状态：盖革模式 自由模式：无同步信号、光子到达时触发雪崩 门模式：有同步信号、雪崩信号在门内被触发 由于材料工艺限制，暗计数和后脉冲较高，一般采用门模式 * 核电子学应用：量子光学 自主研发的单光子探测器 计数频率：100MHz-1GHz 弱雪崩 采用门控模式 下一代单光子探测器