量子通信的前沿、理论与实践

量子通信是量子信息科学的重要分支,其中最重要的两个应用是量子密钥分发和量子隐形传态。量子密钥分发可为通信双方提供无条件安全的密钥分发方式,其理论安全性由量子力学规律保证。量子密钥分发因其无条件安全的特点受到广泛关注。本文通过对量子密钥分发的广泛调研,系统地介绍了量子密钥分发的主要内容、理论安全性证明现状和实际安全性证明现状,着重介绍了诱骗态方法和测量装置无关的量子密钥分发方案;同时针对量子密钥分发在信道衰减严重时面临的问题做了系统调研,介绍了目前学术界对该问题的主流解决方法,即量子中继或卫星中继;最后指出量子密钥分发已经由理论模型发展到实际系统,为后续开展量子密钥分发相关研究提供了有益参考。     

1.2m量子通信跟踪系统的光学设计(英文)

基于大气的量子信道传输损耗低,不存在双折射效应,是量子通信实验的可行信道。通过建立卫星平台与光学地面站之间的高稳定低损耗量子信道,可实现超远距离的量子密钥分发。通过卫星中继,将有可能实现覆盖全球的量子通信网络,这也是目前国际公认的最为可行的方案之一。本文详细描述了1.2 m光学地面站望远镜的光学接收系统设计,望远镜采用R-C结构形式,具有近衍射极限的成像质量。为了抑制到达角起伏,实现微弧度级的跟踪精度,望远镜采用复合轴跟踪控制策略,可实现高精度和高带宽的跟踪。     

基于伪随机数的量子密钥分发方案

该文基于量子力学特性,研究了一种基于伪随机数生成的量子密钥分发方案。该方案在保证"种子"的真随机性和保密性的同时,大大提升了随机数的生成效率。经典的密钥分发使用公共信道会导致"种子"的保密性不足,存在密钥易被监听窃取的风险。而量子密钥分发在理论上能达到"信息论安全",但密钥存在生成效率低,密钥生成成本高的问题。基于此,该文提出一种基于伪随机数的量子密钥分发方案。该方案兼顾了量子密钥分发的安全性和伪随机数的高效性,提高了密钥分发的效率,降低了秘钥生成的成本,具有较高的工程价值。     

一种新的正弦相位调制干涉条纹相位稳定方法

在基于条纹投射的物体表面形貌测量中,温度漂移和振动是造成条纹相位漂移的主要因素。为了稳定条纹相位,在相位补偿系统(PCS)中运用峰值检测简化相位提取过程,发展了一种基于正弦相位调制的干涉条纹相位稳定技术。将光纤缠绕在柱形压电陶瓷(PZT)上,向PZT注入正弦驱动电压实现对干涉条纹相位的正弦相位调制。运用2×2光纤耦合器分光,结合马赫-泽德干涉与杨氏干涉结构实现条纹投射。光电探测器检测两端面反射信号形成的迈克尔逊干涉信号,从中提取环境因素引起的相位漂移,运用旋转坐标数字机进行快速反正弦计算,生成的补偿信号与调制信号叠加后共同驱动PZT,实现条纹相位稳定。实验结果表明,条纹相位稳定精度为5.5 mrad,较好地消除环境因素引起的相位漂移。     

中科院:星地量子密钥分发又有新突破

据中国青年报,近日从中国科学技术大学获悉,该校微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士及其同事彭承志等,与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成的协同创新团队,在国际上首次成功实现星地量子密钥分发的全方位地面验证,为未来实现基于星地量子通信的全球化量子网络奠定了坚实的技术基础。     

电子清管器发射机系统的改进研究

现有的以555芯片产生间断超低频(23 Hz左右)电磁脉冲的电子清管器发射机系统会带来频率漂移、各组振荡间的相位关系随机不恒定及静态功耗偏大的问题.为此利用89C2051编程产生间断的超低频脉冲信号,解决了频率漂移及振荡间的相位关系随机的问题.通过采取配置合适的晶振和电源电压措施,并在软件设计部分充分利用单片机休眠模式的低功耗特性,解决了功耗问题.经测试频率稳定在23 Hz±0.01 Hz,振荡间的相位关系恒定,有效工作时间由60h提高至100h.     

我国成功发射全球首颗科学实验量子卫星“墨子号”

正近日,我国成功发射全球首颗量子科学实验卫星"墨子号",标志着我国在量子通信领域又迈出重要一步。"墨子号"的主要科学目标是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大     

随机振幅-相位编码虚拟光学加密系统

通过对双随机相位编码光学加密系统中空域的随机相位模板进行置换,提出采用随机振幅-相位模板对图像进行加密的新方法。理论分析表明,当随机振幅板为零均值白噪声且与频域相位板统计独立时,被加密图像的自相关函数为二维冲击函数,表明原始图像被加密为平稳的复随机白噪声,因而可以抵御盲反卷积攻击。采用计算机进行模拟,证实了所提方法的有效性。最后讨论了该方法相对于双随机相位编码系统的优越性:对空域密钥的统计学要求更低、在频域密钥泄露情况下系统鲁棒性更强。但是,由于物理上不存在幅度为负值的光波,因此该系统只能使用数字虚拟的方法来实现。     

背景光对星地量子密钥分配量子误码率的影响

量子误码率是量子密钥分配系统的重要参数之一.对于星地量子密钥分配,采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲作为单光子源,建立了由背景光引起的量子误码率理论模型,给出了量子误码率的表达式.针对轨道高度为300km的低轨卫星-地面站间链路,进行了数值仿真分析.研究表明,背景光是限制自由空间量子密钥分配链路距离的主要因素之一,在低轨卫星-地面站间进行量子密钥分配是可行的.在白天,量子误码率的量级为10-3～10-2;在夜晚,满月时为10-4,新月时为10-6～10-5.     

基于粒子群的数据协调优化算法

根据非规则低密度奇偶校验码(LDPC)的密度进化基本原理,结合高斯近似算法和粒子群优化(PSO)算法对校验矩阵H进行智能优化,以得到性能更好的H.应用基于相干态的连续变量量子密钥分发的数据协调,可得到更低的收敛信噪比,提高协调效率,从而延长了密钥分发的通信距离.用C语言对该算法进行仿真的结果表明,当连续变量分组数为2×105时,在收敛性噪比SNR=4.9dB以上实现可靠的数据协调,协调效率可达92.06%,传输距离最大可达35.5公里.