【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）利用Mach-Zehnder干涉儀實(shí)現(xiàn)相位編碼的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)-控制理論與控制工程

摘 要 自從 1992 年量子密鑰分發(fā)演示試驗(yàn)的成功以來，量子密碼術(shù)得到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，并在近年來得到迅速的發(fā)展，針對(duì)原有各類密碼體制在安全性方面所存在的缺陷，基于量子理學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理和不可克隆原理為依據(jù)的量子密碼術(shù)，在理論上達(dá)到了絕對(duì)的安全，并以此優(yōu)點(diǎn)，將很快在網(wǎng)絡(luò)通信上得到廣泛的應(yīng)用。 量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)總體上可分為準(zhǔn)單光子源的系統(tǒng)和糾纏光子源的系統(tǒng)，截至 1992年為止，所提出的量子密鑰分發(fā)協(xié)議共有三種，包括應(yīng)用于準(zhǔn)單光子源系統(tǒng)的利用偏振光進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的 議，和使用兩個(gè)非正交量子態(tài)來實(shí)現(xiàn)密鑰分 發(fā)的 議；以及應(yīng)用于糾纏光子源系統(tǒng)的利用兩個(gè)粒子糾纏態(tài)進(jìn)行密鑰分發(fā)的 議。本文對(duì)國(guó)際上量子保密通信的研究進(jìn)行了概述和分析；分類介紹了幾種具有代表性的量子保密通信系統(tǒng)，包括準(zhǔn)單光子源的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和糾纏光子源的系統(tǒng)；分析、比較了各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，準(zhǔn)單光子源的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)又可分為偏振編碼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和相位編碼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，而糾纏光子源的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)又可分為 偏振編碼系統(tǒng)、相位編碼系統(tǒng)和 明亮 纏光束的偏振編碼系統(tǒng) 。另外再基于原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)各類系統(tǒng)的缺點(diǎn)，介紹一些相應(yīng)的改良系統(tǒng)并分析其優(yōu)點(diǎn)。最后，我們還搜 集了一些新型的系統(tǒng)，包括 相位偏振編碼的量子保密通信系統(tǒng) 、 差分相移鍵控協(xié)議的雙向量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) 、 時(shí)間和相位混合編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) 以及 條件參量下轉(zhuǎn)換光子對(duì)的非正交編碼誘惑態(tài)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) ，分析各系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)還指出了未來量子保密通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞 量子保密通信 單光子源 糾纏光子源 偏振編碼 相位編碼 目 錄 1 前言 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 2 準(zhǔn)單 光子源的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 偏振編碼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 1 光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)偏振編碼的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 四個(gè)激光源實(shí)現(xiàn)偏振編碼的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 3 偏振穩(wěn)定控制下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 3 相位編碼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 利用 涉儀實(shí)現(xiàn)相位編碼的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 “即插即用”編碼系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 相位編碼改進(jìn)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3 糾纏光子源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 偏振編碼系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 相位編碼系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 明亮 纏光束的偏振編碼系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 新型糾纏光子源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 基于超糾纏交換的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4 其它新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 相位偏振編碼的量子保密通信系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 基于差分相移鍵控協(xié)議的雙向量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 時(shí)間和相位 混合編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 基于條件參量下轉(zhuǎn)換光子對(duì)的非正交編碼誘惑態(tài)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 5 結(jié)語 . 19 致 謝 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 參 考 文 獻(xiàn) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 1 1 前言 量子保密通信 1是近年發(fā)展起來的一種絕對(duì)安全的密鑰分發(fā)技術(shù)，其安全性以量子理學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理和不可克隆原理為 依據(jù) ，即在異地共用相同的光子產(chǎn)生密鑰，密鑰產(chǎn)生過程中的竊聽在密鑰產(chǎn)生事前即被發(fā)現(xiàn)，相比于各類傳統(tǒng)密鑰體制而言，理論上可以證明是絕對(duì)安全的。自從 1992 年量子密鑰分發(fā)演示試驗(yàn)的 成功以來。各類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室相繼采用，有基于 協(xié)議和 協(xié)議對(duì)單光子源的要求采用的以微弱光為實(shí)際光源的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有基于 協(xié)議采用的以糾纏光子源為實(shí)際光源的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 目前研究處于國(guó)際領(lǐng)先水平的國(guó)家，如美國(guó)、英國(guó)、瑞士，已經(jīng)逐步走向應(yīng)用。如美國(guó) 2000年在自由空間使用量子保密通信系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)傳輸距離 國(guó) 驗(yàn)室已在常規(guī)光纜線路上實(shí)現(xiàn)量子保密通信距離達(dá) 55士日內(nèi)瓦大學(xué)成功建立量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) 跨湖傳輸長(zhǎng)達(dá) 23前，量子保密通信距離已 超過 100瑞 士、美國(guó)，量子保密通信系統(tǒng)已經(jīng)商品化。 在中國(guó)，量子密碼通信的研究起步較晚，但通過自身不懈努力，以及與國(guó)際領(lǐng)先水平國(guó)家的合作，取得了不錯(cuò)的成績(jī)，如 2007 年國(guó)際上首個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)由我國(guó)科學(xué)家在北京測(cè)試運(yùn)行成功，這是迄今為止國(guó)際公開報(bào)道的唯一無中轉(zhuǎn)、可同時(shí)、任意互通的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了 150室內(nèi)量子密鑰分配 3。本文著重介紹采用單光子源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和糾纏光子源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 以，以及相應(yīng)的系統(tǒng)改善 ，并介紹一些新的 實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng) ，分析各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。 2 準(zhǔn)單光子源的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 目前 真正的單光子源在實(shí)驗(yàn)上很難實(shí) 現(xiàn)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中往往利用強(qiáng)衰減的激光脈沖來代替理論上的單光子，即經(jīng)過強(qiáng)衰減系統(tǒng)使輸出光每脈沖平均光子數(shù)為 此條件下，就可認(rèn)為在光路中傳輸?shù)氖菃喂庾用}沖。利用單光子源的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 一般 采用兩種編碼方式： 偏振編碼和相位編碼。偏振編碼系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于理解。齊缺點(diǎn)在于由于光纖的色散使光的偏振狀態(tài)在傳輸過程中很難保持以致于造成誤碼。并且由于雙折射的影響，其傳輸距離受到很大的限制。而相位編碼系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于相位調(diào)制器的響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)快速編碼 ，并且比較好地解決了雙折射的問題，從而增加了傳輸距離。其缺 點(diǎn)在于光在傳輸過程中其相位易發(fā)生漂移。下面從原理上分別介紹這兩種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及其優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹現(xiàn)有對(duì)兩種系統(tǒng)的相應(yīng)改進(jìn)。 偏振編碼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 這里主要介紹 三 種使用偏振編碼的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：用光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)偏振編碼的實(shí)驗(yàn)系 2 統(tǒng) ， 用四個(gè)激光源實(shí)現(xiàn)偏振編碼的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) ，以及偏振穩(wěn)定控制下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 。 光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)偏振編碼的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 4 圖 1 光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)偏振編碼的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 圖 2 光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)偏振編碼的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 圖 1 所示系統(tǒng)是利用 議的編碼 系統(tǒng)，圖中有 （ 信號(hào)發(fā)送方 ） 經(jīng) P（ 圓起偏器 ） 變?yōu)閳A偏振光，光電開關(guān) ） 進(jìn)入四個(gè) 起偏器 ） 可隨機(jī)獲得四種不同偏振方向的單光子 (0、 45、 90、 135)。由 耦合器 ） 、 偏振控制器 ） 和后面的 5旋轉(zhuǎn)器 ） 共同用來選擇 探測(cè)基。即 送的偏振方向隨機(jī)的單光子進(jìn)入 （ 信號(hào)接收方 ） 后通過 能走上面的路徑經(jīng)過 45變偏振態(tài)進(jìn)入 偏振分束器 ） ，也可能走下面路徑進(jìn)入 被單光子探測(cè)器 測(cè)到。這里上面路徑相當(dāng)于 擇了測(cè)量基“”進(jìn)行測(cè)量，下面路徑相當(dāng)于擇了測(cè)量基“ ”進(jìn)行測(cè)量，然后 布選擇的測(cè)量基， 告訴些測(cè)量基選擇正確，最后根據(jù)雙方協(xié)議就可得到密鑰。響應(yīng)頻率達(dá)幾兆赫茲，使編碼速度有所提高。此 系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)后變?yōu)閳D 2 所 3 示系統(tǒng)，采用了 編碼方式，由原來的四態(tài)編碼變?yōu)楝F(xiàn)在的兩態(tài)編碼，使系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可行。從 圖 1 和圖 2 中可比較看出 只需兩只 代替了原來的四只， 只用兩只普通的 代替了原來的兩只 45及不僅大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，而且節(jié)省了許多價(jià)格昂貴的器件，而使實(shí)驗(yàn)變得更加經(jīng)濟(jì)可行，但缺點(diǎn)是編碼速度比原來降低了一半。 四個(gè)激光源實(shí)現(xiàn)偏振編碼的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 4 圖 3 四個(gè)激光源實(shí)現(xiàn)偏振編碼的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 此系統(tǒng)也是利用 議的編碼系統(tǒng)，由圖 3 可見 四個(gè)激光源可以發(fā)送一串偏振方向隨機(jī)選定的光 脈沖 （ 可能是 0、 45、 90、 135） 經(jīng)過 偏振控制器 ） 、稱為單光子進(jìn)入 ，經(jīng)過 分束偶合器 ） 隨機(jī)選擇走上面路徑或下面路徑進(jìn)入 偏振分束器 ） ，后杯單光子探測(cè)器 某一個(gè)探測(cè)到。相當(dāng)于 機(jī)選擇了測(cè)量基“” （ 上面路徑 ） 或測(cè)量基“” （ 下面路徑 ） 進(jìn)行測(cè)量，然后 布選擇的測(cè)量基， 告訴 些測(cè)量基選擇正確，最后根據(jù)雙方協(xié)議即可得到密鑰。這種通過調(diào)節(jié)四個(gè)激光器的開關(guān) （ 開關(guān)時(shí)間可達(dá) 10進(jìn)行調(diào)制的方法大大提高了編碼速度，比 圖 1 所示系統(tǒng)的編碼速度提高了 100 倍左右。其缺點(diǎn)在于必須使用四個(gè)完全一樣的激光器，否則很容易倍竊聽，切使用了較多的激光器、偏振分束器及探測(cè)器，使系統(tǒng)造價(jià)較高。 偏振穩(wěn)定控制下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 5 具有偏振反饋控制功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 4 所示， 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程通過計(jì)算機(jī)程序控制，并 通過定義兩個(gè)閾值，在通信雙方的控制程序中準(zhǔn)備兩套運(yùn)行狀態(tài) “通訊”狀態(tài)和“偏振控制”狀態(tài)，通過相應(yīng)單光子探測(cè)器的計(jì)數(shù)所購成兩個(gè)斯托克斯參數(shù)分別與兩個(gè)閾值的比較，控制通信系統(tǒng)在兩種 運(yùn)行 狀態(tài)之間切換 。 4 圖 4 偏振控制下的實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng) 圖 5 偏振態(tài)的邦加球表示 整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程如下：當(dāng)通信雙方準(zhǔn)備完畢后，將各自的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定到“通訊”狀態(tài)，由 過局域網(wǎng)向 出通信請(qǐng)求， 到請(qǐng)求后開始準(zhǔn)備隨機(jī)碼并通過數(shù)據(jù)采集卡給 供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將光開關(guān) (轉(zhuǎn)到 置， 知采集 1 的數(shù)據(jù)，并保存為一個(gè)比特序列。當(dāng) N（ N 通過程序設(shè)定）組數(shù)據(jù)采集完成后，轉(zhuǎn)入“ 偏振控制 ” 狀態(tài)， 出“偏振檢測(cè)”請(qǐng)求， 到請(qǐng)求后，固定的觸發(fā) 由 0 和 1 組成的隨機(jī)信號(hào)改為全 1 信號(hào)），因 此信號(hào)光的初始偏振態(tài)為確定的H 方向（如圖 5 所示），同時(shí)光開關(guān) 跳轉(zhuǎn)到 道。 將 個(gè)探測(cè)器的計(jì)數(shù)送入計(jì)算機(jī)，通過程序計(jì)算斯托克斯參量，并與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，如果 1, |2，那么 5 過偏振偏移量（即 S 和 T 的差量）的大小提供兩個(gè)反饋信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡輸出兩個(gè)模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過電壓放大以后，分別控制偏振 控制器的兩個(gè)壓電陶瓷擠壓光纖，實(shí)現(xiàn)偏振方向繞 轉(zhuǎn)（如圖 5），同時(shí)程序?qū)ζ褡兓闆r進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng) 1, |)/2，然后 |、|循環(huán)一周后又回到耦合器相遇，相位調(diào)制器 別對(duì)態(tài) |、 |調(diào)制，在耦合器處干涉就決定了最后光子是從端口 1、端口 2 出來 。這樣就組成了一個(gè)編碼解碼系統(tǒng)，能完成量子密鑰分 發(fā)實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使從分束器出來的處于疊加態(tài)的光子走的路徑完全一樣，解決了因外界影響導(dǎo)致的相對(duì)相位的改變，從而在耦合器處能產(chǎn)生穩(wěn)定不受外界影響的干涉。 (2)長(zhǎng)距離長(zhǎng)期穩(wěn)定的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) 6 如圖 10 所示， 整個(gè)系統(tǒng)架設(shè)在一個(gè) 3m 的光學(xué)平臺(tái)之上，并 使用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別作為 制端。 在密鑰交換過程中，首先 由 過局域網(wǎng)向 出密鑰交換請(qǐng)求，待 備準(zhǔn)備就緒便開始密鑰交換。 出起始信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)80生 512 個(gè)頻率為 時(shí)鐘脈沖，通過精確的延 時(shí)控制， A、 B、 C、 D 四 8 路時(shí)鐘信號(hào)準(zhǔn)確地控制 作。當(dāng)密鑰交換完 512 個(gè)周期后， 的數(shù)據(jù)便傳送入計(jì)算機(jī)， 得 組信息，而 信息， 據(jù)事先雙方協(xié)定好的 議篩選密鑰，并將有效密鑰的次序通過通信電纜傳給 次密鑰交換結(jié)束。 該系統(tǒng)利用 往復(fù) 光路補(bǔ)償相位偏移和偏振抖動(dòng)的原理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定且干涉對(duì)比度高。由于系統(tǒng)采用結(jié)電容平衡魔 T 網(wǎng)絡(luò)耦合的單光子探測(cè)技術(shù)，有效厄了短門脈沖模式的雪崩光電二極管結(jié)電容尖峰 噪聲影響，單光子探測(cè)效率大于 5%，單脈沖暗計(jì)數(shù) (于 3 10同步控制方面，系統(tǒng)采取單片機(jī)與 550s 且精度達(dá)到納秒量級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)控制模塊，并且采取偏振無關(guān)以及穩(wěn)定偏振態(tài)的相位偏碼解碼方法，干涉對(duì)比度達(dá) 系統(tǒng)開發(fā)了通用串行總線 據(jù)采集模塊，不僅采集速率高，而且使用簡(jiǎn)便，即插即用。 圖 10 長(zhǎng)距離長(zhǎng)期穩(wěn)定的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) (3)雙偏振分束器的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) 7 此系統(tǒng)為 利用 涉儀實(shí)現(xiàn)相位編碼 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 的改良系統(tǒng)，如圖 11 所示， 給 送一個(gè)短激光脈沖，來初始化傳輸過程 。 經(jīng)環(huán)形器到達(dá) X 形耦合器的光脈沖被分為兩路，分別經(jīng) 涉儀的短臂（圖中上臂） 長(zhǎng)臂（圖中下臂）達(dá)偏振分束 /耦合器 1 的輸入口 1、 2 后徑直向 播，長(zhǎng)臂與短臂的差就使兩路光相互之間有了一定的時(shí)間延遲，實(shí)現(xiàn)了時(shí)分復(fù)用，光脈沖 干線、Y 形耦合器、偏振控制器 4 和衰減器到偏振分束 /耦合器 2，分別從偏振分束 /耦合器 2 的輸出口 1， 2 輸出并且分別沿著順時(shí)針方向與逆時(shí)針方向在 中傳播。了給她的比特編碼，使用相位調(diào)制器 2 只調(diào)制光脈沖 相位。 用另一個(gè) 9 相位調(diào)制器 1 只對(duì) 行調(diào)制，然后觀察 干涉結(jié)果，并通過單光子探測(cè)器 2 進(jìn)行探測(cè)。 如果 自的相位調(diào)制器都沒打開，那么干涉結(jié)果為干涉（兩個(gè)脈沖經(jīng)過了完全相同的路徑） 即 ,其中 A 和 B 分別為 入的總的相移，此時(shí)單光子探測(cè)器 計(jì)數(shù)。如果 變了干涉脈沖之間的相位，即 ，則干涉結(jié)果將變?yōu)橄嘞缮?，單光子探測(cè)器 計(jì)數(shù)。 相關(guān)的相位調(diào)制了的光強(qiáng)，可以用來從 送信息。 這套裝置的第一特性是干涉儀自動(dòng)調(diào)整的；第二個(gè)特性是利用 纖偏振控制器的可逆性工作特點(diǎn)，解決了鈮酸鋰波導(dǎo)式相位調(diào)制器的偏振相關(guān)性以及偏振相關(guān)損耗的問題。 圖 11 雙偏振分束器的倆你個(gè)子密鑰分發(fā)系統(tǒng) (4)高穩(wěn)定的差分相位編碼密鑰分發(fā)系統(tǒng) 8 在差分相位調(diào)制 案中， 允許脈沖串全部通過，脈沖的透明傳輸使協(xié)議效率得到了最大限度的提高，但脈沖個(gè)數(shù)和干涉模式的確定性也給竊聽者的竊聽?zhēng)砹朔奖?，給系統(tǒng)安全性帶 來了隱患。為了搭建既高效又安全的差分相位調(diào)制 統(tǒng)，我們?cè)?采用了窄門控技術(shù)，采用多模式的脈沖傳輸來提高系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)如圖12 所示。 采用如圖 13 所示的四種方案選擇性地開啟門控裝置。方案 (1)中允許四 10 個(gè)脈沖全部通過，方案 (2) (4)選擇性地允許相鄰脈沖通過， 隨機(jī)采用以上四種方案 ， 抗竊聽能力得到了提高，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。 圖 12 高穩(wěn)定的差分相位編碼系統(tǒng) 圖 13 的門控方案 與基本協(xié)議不同的是， 事先有一個(gè)絕對(duì)安全的密碼本，規(guī)定了 選用方案 (1)時(shí)，將告知 測(cè)器探測(cè)到光子的時(shí)刻；在選用方案 (2) (4)時(shí)， 要告知 否探測(cè)到光子的時(shí)刻， 合規(guī)定的方案次序和 探測(cè)結(jié)果，就知道哪個(gè)探測(cè)器響應(yīng)， 方就獲得一致的密碼本序列。 差分相位編碼 統(tǒng)適合在光纖中實(shí)現(xiàn)，比傳統(tǒng)的方案更高效，能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的通信。差分相位編碼 案的信息是靠相鄰脈沖的相位共同決定的，這樣就降低了竊聽者的成功概率和竊聽信息量，增強(qiáng)了 統(tǒng)的安全性，這里提出的改進(jìn)的差分 相位編碼量子密鑰分發(fā) 統(tǒng)，不但具有上述的優(yōu)勢(shì)，而且以雙 涉儀代替 涉儀，并證明它可以主動(dòng)補(bǔ)償光纖傳輸中的隨機(jī)雙折射效應(yīng)和極化相關(guān)損耗，消除偏振衰落現(xiàn)象，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高。窄脈沖門控技術(shù)的采用使得脈沖數(shù)目和干涉模式實(shí)現(xiàn)了多樣化，一定程度上改善了系統(tǒng)的安全性，是一種實(shí)用的長(zhǎng)距離量子光通信系統(tǒng) (5)穩(wěn)定的低噪聲自由空間量子密鑰分配系統(tǒng) 9 11 此系統(tǒng)為 利用 涉儀實(shí)現(xiàn)相位編碼 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 的改良系統(tǒng)， 采用雙 涉儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 涉儀 ，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖 14 所示。量子密鑰分配過程為： 1)手，并指令 動(dòng) 序； 2)的探測(cè)器從第二個(gè)脈沖時(shí)刻處開始有響應(yīng)，這樣， 錄下每個(gè)脈沖時(shí)刻哪個(gè)探測(cè)器（ 生響應(yīng)；3)訴 測(cè)器有效響應(yīng)（只有一個(gè)探測(cè)器有響應(yīng)稱為有效響應(yīng)，其他情況，如兩個(gè)探測(cè)器都有響應(yīng)或都沒有響應(yīng)則做丟棄處理）的時(shí)刻； 4)從以上信息以及 調(diào)制數(shù)據(jù)， 可知道每個(gè)脈沖時(shí)刻 究竟是哪個(gè)探測(cè)器發(fā)生響應(yīng)； 5)假設(shè)探測(cè)器生響應(yīng)代表“ 0”，而探測(cè)器 生響應(yīng)代表“ 1”，這樣， 擁有了一組可以作為密鑰的字符串。 顯然，整個(gè)量子密鑰分配過程中， 是向外公布了一系列時(shí)刻數(shù)據(jù)，最后生成的字符串信息并沒有泄露給外界。 圖 14 自由空間差分密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)采用偏振短脈沖差分方案在 雙射鏡干涉儀作差分接收可以補(bǔ)償振動(dòng)引起的偏振漂移。偏振傳送 /偏振接收的方式可以有效降低陽光背景噪聲。 實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，采用納秒級(jí)脈沖和單光子探測(cè)器門控技術(shù)可減少背景噪聲，有很好的應(yīng)用前景。 (6)基于隨機(jī)相位編碼的確定性量子 密鑰分配系統(tǒng) 10 如圖 15 所示， 相位調(diào)制器， 單光子探測(cè)器， 衰減器， 先， 機(jī)選擇 對(duì)量子比特 |0進(jìn)行相位調(diào)制，將 |1=U()|0發(fā)送給 到 送過來的量子比特，使其通過不等臂的 涉儀，并在長(zhǎng)臂隨機(jī)對(duì)其進(jìn)行相位編碼，調(diào)相 代表發(fā)送比特 1，調(diào)相 0 代表發(fā)送比特 0，也即 |2 12 U(/0)|1 U( /)|0，并將其發(fā)送回給 樣在自己的不等臂 涉儀，對(duì)返回的量子比特進(jìn)行 相位 調(diào)制，其結(jié)果為 |3=U(2 U(/0)|0，在理想情況下，兩個(gè)探測(cè)器會(huì)得到確定的響應(yīng)， 相 0，探測(cè)器 1 響應(yīng)，代表比特 0；反之，探測(cè)器 2 響應(yīng)，代表比特 1。使用隨機(jī)的相位 調(diào)制發(fā)送信號(hào)，不斷重復(fù)上述過程， 會(huì)獲得一致的秘密比特串。由于信道噪聲，探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)等客觀因素，以及在的可能性， 自擁有的兩份量子比特序列并不完全一致。為了確保獲得可作為密鑰所需的一致的安全比特串，后續(xù)的步驟為誤碼調(diào)解，秘密放大，又或者應(yīng)用經(jīng)典密碼學(xué)中驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性 的方法，采用單向的 數(shù)。 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通信雙方不需要公布測(cè)量基的選擇，也不需要丟棄測(cè)量基不匹配的量子比特，大大提高了量子密鑰分配的效率；由于編碼過程是隨機(jī)的，即便竊聽者截獲量子比特，也無法獲得關(guān)于相位調(diào)制的信息，提高了通信的保密性；同時(shí)，本系統(tǒng) 還 具有抗干擾能力強(qiáng)，極限傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。 圖 15 隨機(jī)相位編碼的確定性 統(tǒng) 3 糾纏光子源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 基于糾纏光子對(duì)編碼的原理首先是 1991 年提出的，與基于單光子編碼的原理相比其優(yōu)點(diǎn)有： (1)除去了控脈沖的影 響。這是因?yàn)樵谔綔y(cè)器探測(cè)到光子的時(shí)候另一探測(cè)器也探測(cè)到其伴隨光子； (2)由于不同光子對(duì)之間沒有聯(lián)系，即便在光路中存在多個(gè)糾纏光子對(duì)，竊聽者也不能提高竊聽信息量。以下將 簡(jiǎn)單 介紹幾種基于糾纏光子編碼的實(shí) 13 驗(yàn)系統(tǒng) ，以及相應(yīng)的改良系統(tǒng)，并分析其特點(diǎn)。 偏振編碼系統(tǒng) 4 圖 16 中， 偏振旋轉(zhuǎn)器， 偏振分束器， 單光子探測(cè)器。偏振編碼系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單搞笑，容易獲得較高的對(duì)比度，缺點(diǎn)在于偏振模色散使其不能在光纖中遠(yuǎn)距離編碼。 圖 16 用糾纏光子對(duì)的偏振編碼系統(tǒng) 相位編碼系統(tǒng) 4 圖 17 中， 相位調(diào)制器，通過調(diào)整相位，可以編碼。利用 的 單 光子探測(cè)器與 的單光子探測(cè)器的復(fù)合計(jì)數(shù)來編碼。 圖 17 用糾纏光子對(duì)的相位編碼系統(tǒng) 明亮 纏光束的偏振編碼系統(tǒng) 4 1994 年， 理論上提出了連續(xù)變量的量子離物傳態(tài)概念， 1998 年 50/50 分束器上耦合構(gòu)成一對(duì)連續(xù)變量的 實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變量的量子離物傳態(tài)。繼后， 山西大學(xué)光電所先后提出利用明亮壓 縮光去實(shí)現(xiàn)量子離物傳態(tài)和量子密集編碼的理論方案，下面介紹的是利用明亮 束和 直接測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)正交振幅和相位信號(hào)同時(shí)低于散粒噪聲極限的測(cè)量。裝置原理圖如 圖 18 所示。 圖 18 中， 經(jīng)典振幅和相位信號(hào)通過 幅調(diào)制器 )和 位調(diào)制器 )調(diào)制到 束的一半上，那么 束 c 中就攜帶了經(jīng)典信號(hào)的信息。因?yàn)?束 c和 d 在正交振幅和相位分量上具有很大的噪聲，在理想情況下，經(jīng)典信號(hào)在 束 c 14 上的信噪比趨于 0。即除 任何人不可能從 束 c 上得到被傳輸?shù)慕?jīng)典 信號(hào)，因?yàn)樗蜎]在巨大的噪聲中，因此量子密集編碼具有保密性強(qiáng)的特點(diǎn)， 束d 的幫助下通過 束器 )與攜帶信號(hào)的 束 c 耦合，把要傳送的信號(hào)解調(diào)出來。單光子探測(cè)器。 圖 18 用 現(xiàn)量子密集編碼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 新型糾纏光子源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 基于超糾纏交換的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) 11 圖 19 超糾纏光子對(duì)的產(chǎn)生裝置和 局部操作 糾纏交換的概念是有 首先引入的，并且與 1998 年，由潘建偉等在實(shí)驗(yàn)中加以實(shí)現(xiàn)。光子對(duì) 光 子對(duì) 別處于糾纏態(tài)（設(shè)為 ），對(duì)光子 B 和光子C 作 測(cè)量，結(jié)果回事光子 A 和光子 D 這兩個(gè)沒有發(fā)生相互作用的光子產(chǎn)生糾纏，這就是糾纏交換的過程。超糾纏是多粒子多難度的糾纏 ，例如下面介紹的系統(tǒng)用到的路 15 徑極化糾纏光子對(duì)，它們的空間（路徑）自由度處于糾纏狀態(tài)的同時(shí)，極化自由度也處于糾纏狀態(tài)，這時(shí)對(duì)一個(gè)光子的路徑和極化自由度進(jìn)行 測(cè)量，會(huì)使得另一光子的路徑極化狀態(tài)發(fā)生變化，這就是超糾纏交換的含義 。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，使用基于兩光子的路徑極化超糾纏，這是一個(gè) (2 2 2 2)維的態(tài)，其產(chǎn)生裝置 如圖 19 中陰影部分所示， 她的光子進(jìn)行 局部操作，再對(duì)她手中的光子進(jìn)行路徑極化糾纏測(cè)量，測(cè)量裝置如圖 20 所示。 也使用圖 19 所示的測(cè)量裝置對(duì)他的光子 進(jìn)行 量重復(fù)密鑰分發(fā)過程直至通信雙方建立起所需密鑰為止。該系統(tǒng)利用一對(duì)光子就可以產(chǎn)生 2機(jī)密鑰，相對(duì)于基于雙糾纏對(duì)的分發(fā)方法，效率大大提高。 圖 20 變換和測(cè)量裝置 4 其它新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 由于上述各種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在的不足 ，為了提高量子保密通信系統(tǒng)的各方面性能， 人們相繼開發(fā)了各種新型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) ，下面將介紹四種新型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并分析其 特點(diǎn) 。 相位偏振編碼的量子保密通信系統(tǒng) 12 基于位相調(diào)制偏振態(tài)的四態(tài)量子保密通信系統(tǒng)由一個(gè)四態(tài)量子編碼器、一個(gè)四態(tài)量子解碼器和傳輸光纖組成，其結(jié)構(gòu)如 圖 21 所示。首先， 隨機(jī)發(fā)生器產(chǎn)生 0， ，3 四種電壓（ 位相調(diào)制器的半波電壓），位相調(diào)制器分別產(chǎn)生 0， /2， ，3 /2 的相位變化，四態(tài)量子編碼器的輸出光的偏振態(tài)分別為 45線偏振、右旋圓偏振、135線偏振、左旋圓偏振，同時(shí)， 隨機(jī)發(fā)生器產(chǎn)生 0， ， 3 四種電壓，則四態(tài)量子編碼器可以分別產(chǎn)生 45線偏振、右旋圓偏振、 135線偏振、左旋圓偏振等四種非正交偏振態(tài)測(cè)量基，對(duì) 送的光子的偏振態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，然后， 同約定：以 (0， /2)代表二進(jìn)制的 0，以 ( ， 3 /2)代表二進(jìn)制的 1，最后， 6 通過比對(duì)測(cè)量基后就可以產(chǎn)生共同的密鑰。 這種用“相位調(diào)制 /偏振編碼 /偏振檢測(cè)”的編碼方式， 避免了因時(shí)分復(fù)用技術(shù)導(dǎo)致信息丟失了一半的問題，從而使 效率提高 了 一倍 ，有利于提高傳輸距離；可以實(shí)現(xiàn)精確的相位補(bǔ)償 ， 準(zhǔn)確恢復(fù)光子原來的 偏振態(tài)，從而有效地降低誤碼率； 同時(shí)還可以對(duì)光的偏振態(tài)進(jìn)行精確補(bǔ)償，從而有效地降低誤碼率。 圖 21 相位偏振編碼的量子保密通信系統(tǒng) 基于差分相移鍵控協(xié)議的雙向量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) 13 圖 22 雙向量子密鑰分配系統(tǒng) 雙向量子密鑰分配系統(tǒng) 如圖 22 所示。在 議中， 送單光子，隨機(jī)調(diào)制到兩種極化基上， 一個(gè)隨機(jī)選擇的極化基來測(cè)量接收到的單光子的極化狀態(tài)。 議是 議雙光子派生出來的協(xié)議，在 議中， 個(gè)都共享一個(gè)糾纏光子 對(duì)中的一個(gè)光子?；谶@兩種協(xié)議的系統(tǒng)在小誤碼率時(shí)，通信速率 17 隨量子信道的傳輸線性減小而減小。差分相移鍵控 (議則與 議、 議不同，它采用很多含有脈沖的非正交基，其原理為：所有的脈沖都經(jīng)過強(qiáng)烈衰減，并在 (0， )之間隨機(jī)進(jìn)行相位調(diào)制，其 組成圖 如圖 23 所示。在接收端， 過它的干涉儀隨機(jī)調(diào)制延遲時(shí)間 的干涉儀隨機(jī)選擇一個(gè)正整數(shù) N，其中 T 始終是頻率的倒數(shù)。在穿過 干涉儀之后，脈沖在 出端的分光器上進(jìn)行干涉，探測(cè)器是否反應(yīng)取決于分隔時(shí)間 兩個(gè)脈沖的相位差。 探測(cè) 到光子并隨機(jī)選擇正整數(shù) N 的時(shí)候進(jìn)行公共廣播。從他的調(diào)制信息 道哪個(gè)探測(cè)器記錄了信息，這樣他們通過分配器給探測(cè)器一個(gè)比特值來形成密鑰。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是具有超過 200通信距離并且有較高的通信速率。 圖 23 議組成圖 時(shí)間和相位混合編碼的量子密鑰 分發(fā)系統(tǒng) 14 時(shí)間和相位混合編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)是在 位編碼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，同時(shí)再對(duì)原來相位編碼方案中舍棄的未發(fā)生干涉的兩個(gè)脈沖進(jìn)行時(shí)間編碼 ，系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖 24 所示。其中時(shí)間編碼密鑰分發(fā)過程為： (1)出持續(xù)時(shí)間為 t 的矩形脈沖，對(duì)每個(gè)脈沖隨機(jī)地延遲 0 或 t/2， 錄所發(fā)脈沖的時(shí)刻和具體時(shí)間。 (2)脈沖經(jīng)過兩個(gè)干涉儀后，沒發(fā)生干涉的兩個(gè)脈沖在時(shí)間 (0， t/2)窗口探測(cè)到光子時(shí)記為比特“ 0”，在時(shí)間 (t， 3t/2)窗口探測(cè)光子時(shí)記為比特 “ 1”。 (3)訴 何時(shí)探測(cè)到光子，但不公布記錄結(jié)果， 訴 些時(shí)刻是正確的，舍棄其他不正確的結(jié)果。另外，相位編碼密鑰分發(fā)過程為： (1)脈沖計(jì)入 的干涉儀時(shí)， 用兩組正交基 0, 和/2,3/2中 的任一相位對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制， 錄調(diào)制使用的每組基及具體的調(diào)制相位。 (2)脈沖到達(dá) 干涉儀時(shí)， 機(jī)地選擇 0 或 /2 調(diào)制脈沖， 錄具體的 18 調(diào)制相位。 (3) 用探測(cè)器 測(cè)經(jīng)過兩干涉儀的脈沖，按探測(cè)器 應(yīng)而響應(yīng)記為比特“ 0”，反之記為比特“ 1”方式生成密鑰。 (4)過公開信道告訴所調(diào)制的相位，但不公布探測(cè)器的結(jié)果， 訴 些結(jié)果的基相匹配，舍棄基不匹配時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)果。最后按如下步驟處理數(shù)據(jù)：第一步， 過公開信道交換部分 數(shù)據(jù)，檢查誤碼率的大小 以檢查通信是否被竊聽；第二步，通過糾錯(cuò)運(yùn)算及秘密放大使竊聽者得到的信息量盡可能小。 圖 24 混合編碼 統(tǒng) 此系統(tǒng)中，脈沖同時(shí)攜帶兩種信息，加大了竊聽的難度，并且成碼率是原相位系統(tǒng)的兩倍，系統(tǒng)編碼時(shí)使用了時(shí)間信息，受環(huán)境變化的影響較小，穩(wěn)定性較強(qiáng)，系統(tǒng)在通信雙方使用精確的時(shí)間同步，降低了暗計(jì)數(shù)的影響。 基于條件參量下轉(zhuǎn)換光子對(duì)的非正交編碼誘惑態(tài)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) 15 單色抽運(yùn)光子流和量子真空噪聲對(duì)非中心對(duì)稱非線性晶體的綜合作用，導(dǎo)致了在光的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程中 ，一個(gè)高頻光子在非線性晶體內(nèi)會(huì)以某一概率自發(fā)分裂為兩個(gè)低頻光子，分別稱為信號(hào)光子和閑置光子，合稱自發(fā)參量下轉(zhuǎn)化 (子對(duì)。此系統(tǒng)是基于該光源為前提的， 如圖 25 所示信號(hào)光和閑置光幾乎是同時(shí)產(chǎn)生的，具有相同的性質(zhì)。 在理想狀態(tài)下，發(fā)送方 機(jī)地調(diào)節(jié)抽運(yùn)光的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)隨機(jī)地發(fā)出各種強(qiáng)度的信號(hào)光 （強(qiáng)度為 的信號(hào)態(tài) （強(qiáng)度為 1， 2， 3， ， m）的誘惑態(tài)），同時(shí) 門限探測(cè)器探測(cè)與信號(hào)光成對(duì)的閑置光中的光子數(shù)來預(yù)報(bào)信號(hào)光的光子數(shù)，當(dāng)探測(cè)到光子時(shí)開啟接收端即 的探測(cè)器， 信號(hào)態(tài)和各種誘惑態(tài)編碼的解碼實(shí)現(xiàn)里采用了非正交編碼 議，雙光子也能產(chǎn)生密鑰進(jìn)一步塔高系統(tǒng)的安全性。當(dāng) 畢后， 訴 號(hào)態(tài)和誘惑態(tài)的分布情況，由探測(cè)結(jié)果計(jì)算出信號(hào)態(tài)和誘惑態(tài)的計(jì)數(shù)率 ， ， ， 19 后 據(jù)信號(hào)態(tài)和誘惑態(tài)的計(jì)數(shù)率及量子誤碼率計(jì)算出單光子和雙光子的計(jì)數(shù)率 量子誤碼率 后與理論值比較判斷是否正常，不正常則放棄本次通信，正常則進(jìn)一步糾錯(cuò)及保密放大 提取密鑰。 由于 用的信號(hào)態(tài)的強(qiáng)度 一般很小，脈沖中光子數(shù) n 5 的概率的數(shù)量級(jí)為 10小于暗計(jì)數(shù) 量級(jí)為 10可忽略，所以只需少量的誘惑態(tài)就足夠了。 圖 25 生光子對(duì)示意圖 該系統(tǒng)有以下特點(diǎn)： 1)誘惑態(tài)量子密鑰分發(fā)較非誘惑態(tài)量子密鑰分發(fā)能夠更好地估算出單光子的計(jì)數(shù)率和量子誤碼率，提高了安全密鑰產(chǎn)生率和安全通信距離； 2)在相同安全條件下采用非正交編碼協(xié)議的信號(hào)態(tài)脈沖強(qiáng)度比 ，提高了安全密鑰產(chǎn)生率；3)與普通衰減光源相比，利用參量下轉(zhuǎn)換光子對(duì)中的閑置光 去預(yù)報(bào)信號(hào)光的光子數(shù)情況可以大大減小長(zhǎng)距離傳輸過程暗計(jì)數(shù)的影響，進(jìn)而增大安全密鑰傳輸距離； 4)用泊松分布的參量下轉(zhuǎn)換光子對(duì)作為信號(hào)光可以提高密鑰產(chǎn)生率。 5 結(jié)語 量子密碼術(shù)是近年來國(guó)際學(xué)術(shù)界的一個(gè)前沿研究熱點(diǎn)。面對(duì)未來具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)，現(xiàn)行基于 解自然對(duì)數(shù)及因子分解難度的加密系統(tǒng)、數(shù)字簽名及密碼協(xié)議都將變得不安全，而量子密碼術(shù)則可達(dá)到經(jīng)典密碼學(xué)所無法達(dá)到的兩個(gè)最終目的：一是合法的通信雙方可察覺潛在的竊聽者并采取相應(yīng)的措施；二是使竊聽者無法破解量子密碼，無論企圖破解者有多么強(qiáng)大的計(jì)算能力。可以說 ，量子密碼是保障未來網(wǎng)絡(luò)通信安全的一種重要技術(shù)。隨著對(duì)量子密碼體制研究的進(jìn)一步深入，通過對(duì)原有系統(tǒng)的不斷改良，越來越多的方案被提出來，近年來無論在理論上還是在實(shí)驗(yàn)上都在不斷取得重要突破，量子密碼術(shù)迅速發(fā)展，相信在不久的