光纤中连续变量量子密钥分发实验研究.pdfVIP

申请上海交通大学博士学位论文 光纤中连续变量量子密钥分发实验研究 论文作者 黄端 学 号 0120349052 指导教师 曾贵华教授 专 业 信息与通信工程 答辩日期 2017年3月27 日 Submitted in total fulfilment of the requirements for the degree of Doctor in Information and Communication Project Experimental Study of Fiber-Based Continuous-Variable Quantum Key Distribution DUAN HUANG Supervisor: Prof. GUIHUA ZENG DEPART OF ELECTRONIC ENGINEERING , SCHOOL OF ELECTRONIC , INFORMATION AND ELECTRICAL ENGINEERING SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY SHANGHAI , P.R.CHINA Mar. 27th, 2017 上海交通大学博士学位论文 摘摘摘 要要要 光光光纤纤纤中中中连连连续续续变变变量量量量量量子子子密密密钥钥钥分分分发发发实实实验验验研研研究究究 摘摘摘 要要要 量子密钥分发是量子信息技术的重要研究方向之一。实验上，研究人员能 够基于离散变量量子态或者连续变量量子态实现量子密钥分发。其中，基于连 续变量的量子密钥分发理论上能够实现较大的密钥生成率，且与现有相干光通 信紧密结合，容易融入传统光纤网络。现阶段，连续变量量子密钥分发协议的 理论安全性已被严格证明，但是系统实验可实现的安全距离仍较短（小于80公 里）、密钥率不高（小于10 kbps），且基于连续变量量子密钥分发的实地网络还 没有得到验证。因此，从理论上分析连续变量量子密钥分发中限制系统性能的 原因，并在实验上解决这些问题将使连续变量量子密钥分发与实际应用结合更 加紧密。 本论文研究了与连续变量量子密钥分发实验相关的理论与技术问题，在实 验研究方面取得了如下创新性成果： 1. 研制了超高灵敏度和高带宽、达到散粒噪声极限的平衡零差探测器。针 对100公里以上的连续变量量子密钥分发中本振光发射光功率有限的情况，本 文研制的超高灵敏度平衡零差探测器能有效降低对本振光的需求，从而在远距 离光纤接收端实现对量子信号的散粒噪声极限探测。相较于国内外已报道的同 类最先进的探测器，在关键指标散粒噪声与电噪声比值方面高出一个数量级。 并且，该探测器具有光子数分辨能力。本文研制的高带宽平衡零差探测器能保 证在1 GHz电谱宽度范围内达到散粒噪声极限，该关键指标优于国内外已报道 的同类最先进的探测器。 2. 首次实验实现了安全距离超过100公里的连续变量量子密钥分发，该安 全距离是现阶段连续变量量子密钥分发最长记录。由于连续变量量子密钥分发 中安全距离主要受限于过噪声，本论文远距离实验针对过噪声进行分析和控 制，并结合了多种技术方案，如高灵敏度平衡零差探测、高精度相位补偿、高 效率纠错协商等。安全性方面，在基于统计数据不确定性框架内讨论有限长效 应时，安全距离达到150公里。相较于已报道的法国研究组的最前沿工作[Nat. — i —