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全光纤量子密钥分发系统稳定性分析及控制技术研究

作　者: 李林霞
导　师: 王永钢；马海强
学　校: 北京邮电大学
专　业: 光学
关键词: 量子密钥分发稳定性相位调制器高速高频模拟开关 FPGA VHDL
分类号: TN918.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着因特网成为人类生活重要一部分,它的可靠性也变得越来越重要。基于量子力学基本原理—不确定性原理与单量子态不可克隆定理的量子密钥分发在实现绝对安全通信方面具有无可比拟的优越性,正受到人们越来越多的关注。随着量子密钥分发相关技术的研究深入,人们期待能在工程上实现量子保密通信,那么保持系统的高稳定性是实现商用量子保密通信的必然要求。本文研究的内容主要分为两个部分：第一是量子密钥分发系统的稳定性分析；第二部分重点介绍自行研制的基于USB和FPGA的量子密钥分发电子控制系统及相关技术实现,并详细介绍了利用高速高频模拟开关实现相位调制器驱动电路的设计开发。首先介绍密码学的概念、现代密码体制的安全性和目前国际上关于量子密钥分发技术研究的走向。接着详细介绍量子密钥分发的实现原理、主流协议及量子密钥分发网络的最新研究成果。第三章首先阐述了影响量子密钥分发系统稳定性的因素,然后对采用Mach-Zehnder干涉仪和基于改进干涉环结构的"Plug&Play"系统和Sagnac环系统采用相位编码实现长距离传输的实验系统从温度、偏振等方面对系统误码率的影响做了分析。第四章重点为量子密钥分发控制技术的实现,提出实现相位调制器驱动电路一种设计方案和基于USB的系统总控制技术。此驱动电路满足一定实验要求；输出电压脉冲脉宽可达10ns以下并在20ns-200ns之间实现可调,电压在0.0V-10.0V之间可调,波纹峰值抖动在百分之一以内；从理论及实验上对实验方案的可行性及可靠性进行了验证,可用于量子密钥分发实验研究工作中。通信双方的控制系统实现分硬件和软件两部分,硬件方面主要包括USB接口、FPGA主控芯片、调相和电源电压转换电路和数字脉冲延时电路。采用现场可编程门阵列FPGA作为核心功能芯片,利用QuantusII进行硬件设计、VHDL语言编程,最终将生成的PCB图送厂家成产加工焊接,结果在软件控制下能很好的运用到量子密钥分发实验系统中。第五章介绍量子密钥分发网络的层次模型及国际上现有的实现量子保密通信网络的三种主要方案。第六章是对全文研究工作的总结。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-14
  1.1 密码学概述  10
  1.2 现代密码体制的安全性  10-12
  1.3 量子密钥分发(QKD)  12-13
  1.4 本论文的内容安排  13-14
第二章量子密码的基本原理及密钥分发协议  14-25
  2.1 物理安全性基本原理  14-16
    2.1.1 量子比特  14-15
    2.1.2 海森堡不确定性原理  15
    2.1.3 测量坍缩理论  15
    2.1.4 量子不可克隆定理  15-16
  2.2 量子密钥分发协议  16-20
    2.2.1 BB84协议  16-18
    2.2.2 B92协议  18-19
    2.2.3 其它协议  19-20
  2.3 量子密钥分发实验研究进展  20-24
    2.3.1 实验研究进展  20-22
    2.3.2 量子密钥分发网络的研究  22-24
  2.4 小结  24-25
第三章量子密钥分发系统稳定性研究  25-41
  3.1 概述  25-26
  3.2 因素分析  26-32
    3.2.1 等臂Mach-Zehnder干涉仪系统  26-28
    3.2.2 双不等臂Mach-Zehnder干涉仪系统  28-32
      3.2.2.1 温度变化对误码率的影响  29-30
      3.2.2.2 双折射对误码率的影响  30-32
  3.3 改进干涉环结构基于补偿技术的量子密钥分发系统  32-41
    3.3.1 "Plug&Play"量子密钥分发系统  32-37
      3.3.1.1 法拉第旋转镜(FM)实现对偏振自补偿原理  33-34
      3.3.1.2 "Plug&Play"稳定性及存在缺陷  34-37
    3.3.2 基于Sagnac环的量子密钥分发系统  37-41
      3.3.2.1 Sagnac干涉仪  37-38
      3.3.2.2 时分相位调制  38-41
第四章基于USB的量子密钥分发控制系统  41-58
  4.1 相位调制器的驱动电路  43-49
    4.1.1 相位调制器  43-45
    4.1.2 功能电路原理设计  45-46
    4.1.3 电压产生电路原理设计  46
    4.1.4 纳秒级窄脉冲产生电路  46-47
    4.1.5 阶梯波电压脉冲的产生  47-48
    4.1.6 印刷电路板的设计  48-49
  4.2 系统控制电路设计  49-56
    4.2.1 USB接口  49-53
    4.2.2 FPGA可编程主控芯片  53-56
  4.3 电路设计结果  56-57
  4.4 小结  57-58
第五章量子密钥分发网络  58-66
  5.1 QKD与光网络融合  58-62
    5.1.1 光通信网络经典噪声对QBER的影响  58-60
    5.1.2 经典噪声主要来源  60-62
      5.1.2.1 QKD的复用与解复用  61
      5.1.2.2 拉曼散射  61
      5.1.2.3 EDFA放大器  61-62
  5.2 信任中继网络  62-63
  5.3 基于光器件为节点的QKD网络  63-66
    5.3.1 分束型网络  63
    5.3.2 Sagnac干涉环网络  63-64
    5.3.3 光开关网络  64
    5.3.4 波分复用QKD网络  64-66
第六章结束语  66-67
参考文献  67-72
致谢  72-73
攻读硕士学位期间发表的学术论文  73

全光纤量子密钥分发系统稳定性分析及控制技术研究

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