光纤量子密钥分配关键技术研究

几千年来，密码学一直在国防、军事、外交等领域发挥着重要作用。随着计算机和互联网技术的发展，密码学在我们的日常生活中也起到不可或缺的作用。密码学的基本目的就是使得通信双方能够通过不安全的信道安全地传送信息，这就有赖于通信双方使用的密码体制，现有的密码体制主要有两大类——“对称密钥密码体制”和“公钥密码体制”。量子计算机的提出和量子算法的出现，给这两种密码体制都带来了巨大的潜在安全威胁。 “一次一密”密码体制是密码学中惟一被证明安全的密码体制，但其却存在密钥分配的难题。量子密钥分配的出现无疑解决了这一难题。量子密钥分配以量子理论为基础，可以在不安全的公共信道上安全地实时分配密钥。因此，将量子密钥分配与一次一密相结合，就可以完美地实现无条件安全的保密通信。量子密钥分配自1984年提出以来，一直受到广泛关注，世界各国均投入大量人力物力进行研究，经过二十几年的发展，无论在理论还是在实验方面均取得了巨大的进展。目前，量子密钥分配正向实用化方向发展。本文以光纤量子密钥分配关键技术为主要研究内容，包括端到端量子密钥分配系统的高速远距离实现技术和量子密钥分配网络的组网技术，主要研究成果分为以下六个方面： 1、在标记单光子源诱骗态实验的基础上，分析光强波动这一实际问题，对比弱相干态光源和标记单光子源，发现标记单光子源是一种好的诱骗态实验光源，它不仅有更长的安全传输距离，而且受光强波动的影响比弱相干态光源更小。 2、在已有Faraday-Michelson干涉环量子密钥分配系统的基础上，改进系统结构，提出参数选择判据，将系统速率提高到20MHz，并将其应用到实地量子密钥分配网络中。 3、基于不等臂Faraday-Michelson干涉环结构，在实验室内用波形发生器、超导单光子探测器和时间数字转换器等仪器搭建出一套高速差分相位量子密钥分配系统，系统速率达到2GHz，标准单模光纤传输距离长达260公里，信道衰减达52.9dB，将国际量子密钥分配实验最大信道衰减提高一个数量级。 4、使用连续光实现了差分相位量子密钥分配，标准单模光纤传输距离达到205公里，是目前连续光量子密钥分配中最远距离。谱质量会更好，信道的色散展宽效应会大大减弱。然后，通过用连续光实现差分相位量子密钥分配对该方案进行了可行性检验。 5、在芜湖电信光网络上设计和搭建出多层级量子政务网。该量子密钥分配网络有七个用户节点，其中五个在芜湖市的政府部门内。根据优先级，将全网用户分成两个层级——骨干量子密钥分配网络和量子密钥分配子网，其中骨干量子密钥分配网络是以量子路由器为核心构建的全时全通网络，量子密钥分配子网是以程控量子交换机为核心构建的时分复用网络，两个层级的量子密钥分配网络以可信任中继的方式融合在一起。 6、提出波长节约型全时全通量子路由器方案，与之前我们小组提出的全时全通量子路由器相比，能节约50%～75%的波长资源。通过分析拓扑结构，发现波长节约型全时全通量子路由器对应的图论模型，并提出两种简单易行的量子路由器内部连接方式。同时，在芜湖电信光网络上利用新的全时全通路由器搭建出波长节约型全时全通量子密钥分配网络，该网络由五个节点组成，仅需两个波长进行路由，线路链接的量子密钥分配系统速率20MHz。此外，还通过简化量子密钥分配网络，提出插入损耗和串扰的分析模型，对量子密钥分配网络进行性能分析。