城市环境自由空间连续变量量子密钥分发实验研究

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量子密码是上世纪60年代由美国的Wiesner[1]提出的一个结合了物理学与密码学的交叉学科。其中量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)是量子密码里发展最为成熟,应用最广泛的分支。第一个量子密钥分发协议于1984年由Bennett和Brassard提出[2],它利用单光子的偏振态进行信息编码。由于单光子探测器的缺陷与单光子信息加载能力的限制等实际因素,离散调制协议具有探测效率相对较低、成码率不高等劣势。而相干态连续变量协议于2002年由Grosshans和Grangier提出[3],它利用相空间中互不对易的两个正则坐标调制连续值的信息,而在探测段采用硅基光电二极管的平衡零差探测方案,具有抗环境光干扰能力强,探测效率高,每脉冲码率高、可利用经典光通信器件实现等优点。近十多年来,基于光纤信道传播的连续变量协议及实验发展广泛,然而自由空间信道得连续变量协议研究却相对缓慢。相比光纤信道而言,自由空间信道具有对偏振及相位非敏感、损耗低等优势,但同时也容易受到大气湍流的干扰,导致光强衰减不稳定、额外噪声偏高等现象,对最终的安全码率影响显著。自由空间连续变量QKD的实验研究目前尚停留在原理性验证阶段。对此,近几年出现了大气扰动的信道建模研究。本文实现了近500米城市环境自由空间信道下的单维度高斯调制[4-5]连续变量QKD实验,给出了在此条件下透射率和额外噪声和密钥率的数值及其大致误差范围。然而受实验装置精度以及大气环境的影响,实验性能尚不稳定。为了使由光斑抖动造成的光强涨落对透射率及额外噪声估计精度得以提升,本文提出了一种利用辅助脉冲来实时监测密钥收发时间段内每一个脉冲周期的透射率的方法,并以此进一步研究了在各种气象环境条件对实验结果的影响,给出了诸如空气湿度等具体气象条件对透射率、额外噪声影响的变化趋势,为今后自由空间量子密钥分发实验,特别是连续变量协议,给出了实际参考。
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