及具体步骤安全性和效率分析量子直接秘密共享协议背景问题协议的基础和具体步骤安全性分析效率分析小结北京大学硕士学位论文第四章分束器攻击防御分析背景问题分束器攻击介绍多分束器解决方案多分束器方案原理多分束器方案防御分析波分复用器解决方案波分复用器方案原理波分复用器防御分析小结第五章偏振控制系统实验和系统的纠缠态实现背景问题偏振控制实验实验方案设计偏振初始化双侧腔内量子点腔内量子点的纠缠态生成光子量子点之间的量子态传递纠缠态分析完整纠缠态生成传递和分析结构小结第六章总结和展望工作总结展望参考文献攻读学位期间的科研成果致谢北京大学学位论文原创性声明和使用授权说明第章绪论第章绪论概述国民生产力不断提高，社会发展迅速，导致人们对于信息的传递需求也越来越大。现代通讯网络离不开软硬件设备的支持，在网络系统已广泛应用于政治经济国防军事等行业的同时，如何有效地保护信息和数据资源保证通信的安全和质量，已经成为日趋严重的问题。由于信息传递的安全问题悄然涉及到国家和社会发展的各个领域，保障信息安全就是掌握发展命脉，必然导致信息安全研究和保密通信系统的研发成为国家之间综合国力竞争的制高点。加密方法是人们用来保障自己的私密信息不被他人获取的手段，于是各式各样层出不穷的加密方法被研究人员提出，密码研究愈加受到人们的重视。传统密码研究包括对称密码研究和公钥密码研究等，但研究中的首当困难便是如何克服密钥分发与密钥安全性维护之间的矛盾。对手计算能力的有限性给了经典密码重要的研究价值，但是随着人们计算能力的日益提高，经典密码暴露出的安全隐患越来越多，通过提高计算机配置来提高安全性的传统安全方案已无法满足人们的要求。面对计算能力的挑战，研究人员亟需找到个计算无关的密码理论支持。海森堡不确定原理和量子不可克隆原理是量子力学中的重要基础理论，在信息论的基础上发展出的量子保密信息理论给出了理论上无条件安全的保密通信方案。由于是从最基本的物理原理层面来构建安全体系，所以无论人类计算能力的发展还是解决逻辑思维问题能力的提高，都不能从本质上对量子保密通信的安全性构成威胁。量子秘密共享是量子密码技术的重要组成部分，在很多研究方向都拥有巨大研究价值，这包括分布式量子通信系统设计量子计算量子货币量子多媒体系统以及实现量子口令加密应用。经典秘密共享已经得到了广泛的研究，它将秘密信息分成多份且分发给不同代理，由多方共同控制秘密信息的发放。量子秘密共享方案充分继承了经典秘密共享理论的优势，略有不同之处是多个代理都可以对秘密信息进行操作，而不必将秘密信息依次分成多份。于是量子秘密共享的窃听过程就显得很困难，因为窃听者必须在限定时间内拥有门限要求数量的代理的可靠信息才能破解出秘密信息。当然，由于操作者的增多，会不可避免的出现个别偶然性，也有可能会遇到环境变化引起的等，所幸的是由于代理足够多，我们可以通过大家的合作基本解出完整秘密信息。科技的发展遵循自然选择过程，可预见的是量子秘密共享将逐渐获得研究人员乃至社会人员的重视，取代经典秘密共享方案应该成为种趋势。由于量子秘密共享在量子保密通信北京大学硕士学位论文中的巨大能量产值，其发展也必将促进量子相关产业的大力发展，这包括量子保密通信安全性器件的研发量子秘密共享系统的设计和量子秘密共享实用型产品开发等，由此看见它的经济效应也颇为可观。和其它量子保密通信方向样，军事领域国家安全领域政府重要机关部门各类重要金融企业或单位光纤电缆等基础设施，甚至包括网络通信等都是量子秘密共享的重要潜在客户。无论是从通信发展的角度，还是信息安全研究的角度看，量子秘密共享都是未来信息领域的重要研究课题，特别是随着精密机械光学计算机网络和软硬件设备的日新月异，量子秘密共享有很大空间展示自己的世界改造能力。因此，研究量子秘密共享保密系统安全协议可靠器件的安全性和系统实现，对于量子保密通信研究具有十分重要的推动能力。量子秘密共享拥有可观的应用前景，但现有研究尚存在明显不足协议中量子态的编码利用率低下，安全检查步骤繁琐却仍存漏洞攻击事件频发，如分束器攻击系统实现上偏振控制困难，编码时间比低，纠缠态转化及分析困难等。研究工作研究工作是从协议研究着手，在提出新型协议方案的基础上，针对现有部分攻击手段进行防御研究，并且给出相应的防御手段，最终在系统实现上完成了偏振控制实验，设计出可行的纠缠态生成传递和分析结构。工作由三个模块组成图研究工作介绍首先，在量子秘密共享协议方面提出了三种在量子编码效率实验可操作性和安全性上具有鲜明优势的量子秘密共享协议循环诱骗态量子秘密共享协议，采用连续插入并且循环利用诱骗态的手段，每个代理都可以对他人的可靠性进行检查，诱骗态放大。在电压驱动下对光纤进行挤压，改变信道中的偏振态，对调节效果进行实时监控，由此形成个闭环的反馈回路，调节过程周期的循环直到获得预期的偏振态。图基于的偏振控制结构图偏振控制器用表示，单模光纤用表示，单光子探测器用表示，偏振分束器用表示，数模转换器用表示，为线性放大电路。第五章偏振控制系统实验和系统的纠缠态实现实验中采用了中的两个压电陶瓷来完成控制分别定义为轴和轴。使用的光源中心波长为，重复频率为。设定的探测效率为，暗计数率为，采用外触发方式，其时钟信号与光脉冲信号同步。由于工作在计数模式，为了保证足够的数据采样时间，偏振控制的周期设置为。另外，由于光纤中的偏振漂移是个缓变过程，意味着偏振控制结束后，偏振态能够在较短的段时间内保持稳定，稳定时间取决于光纤长度和环境等因素。在量子秘密共享系统中，偏振稳定的这段时间将用于成码。实验中使用的光纤长度为，相应的偏振控制的时间间隔设定为分钟。作为量子秘密共享系统中的个重要组成部分，偏振反馈控制的设计应该具备如下要求控制的目标偏振态可见度应该尽量高，这能减少量子秘密共享过程中由偏振对比度不完全导致的误码。另外由于自由状态下的偏振态稳定时间有限，控制过程的耗时应该尽量短，以保证系统成码率不受太大影响。实验中设定的偏振控制的目标可见度为，单次调节耗时控制在秒以内。在以为核心的偏振控制系统中，信号响应速率得到大幅度提升，反馈循环的周期明显缩短。以此为前提，在算法设计上采用了更为简单有效的分段扫描方式，具体的工作流程如下首先设定目标偏振对比度，每隔分钟启动偏振检测程序，对单光子探测器接收到的光信号进行计数，如果当前偏振对比度大于，说明偏振态保持良好，系统切换回秘密共享状态。如果偏振对比度小于，则说明偏振态已经恶化，系统进入偏振控制流程。通过控制压电陶瓷进行逐点扫描，并监测相应的偏振变化情况，扫描结束后，的驱动电压保持在最接近目标偏振图偏振控制过程示意图北京大学硕士学位论文态的位置，并用相同的方式开始在上进行扫描。扫描过程在和之间不断的切换，旦偏振对比度大于，则意味着偏振控制完成，这时候保持和的当前电压，系统切换回秘密共享状态。在参数设定上，驱动的单步步长为，单轴扫描范围为，这样可以保证能够较快的完成跨度大于两个半波电压的扫描。我们在的光纤长度下对偏振控制系统的性能进行了测试。为了准确描述量子秘密共享的工作环境，发端光源强度被衰减到个光子每脉冲的水平。得到的测试结果如图所示。图为的两个压电陶瓷的驱动电压变化图，图为相应的偏振对比度的变化图，蓝色虚线表示系统设定的目标阈值。偏振初始化在量子秘密共享纠缠态实现困难的前提下，对偏振控制的实验先在经典单光子非纠缠量子态的量子秘密共享方案中进行，四个偏振态保持正确而且固定的相对偏振关系是决定秘密是否能够顺利生成的重要因素。因此在以实用化为目的的量子秘密共享系统的设计中，就要求系统能够在秘密共享之前自动的完成偏振初始化。利用，设计并完成适用于偏振编码的偏振自启动方案，该方案利用经典信道在收发两端传输偏振分析结果和指令以完成偏振控制。整个过程无需人为干预即可自动完成。方案的设计结构如图所示。其中为半导体脉冲激光器，其工作频率为，平均脉宽为分别用于对，四个光子偏振态进行初始化相应的单光子探测器分别为分别用于对基和基进行正交检测。收发两端的通过由光纤连接的经典信道进行通信，所使用的光模块带宽为，中心波长为，最大传输距离为。偏振初始化过程中所使用的偏振控制思想与前节中所提到的方法类似，不同之处在于对发送端进行偏振控制时，需要由接收端的对单光子计数进行采集，并通过经典信道传给发送端的，在由发送端对进行驱动完成偏振调节。整体工作流程如下首先将置初值，实验中我们将的两个驱动电压都设置在调节偏振。控制发光，光子经检偏后由和进行探测计数结果定义为和，将计数结果发送至，完成计算并驱动进行偏振调节，直到调节偏振。控制发光，并根据反馈结果驱动进行偏振调节，直到调节两个基互成。控制发光，根据和的计数结果定义为和驱动进行偏振调节，直到第五章偏振控制系统实验和系统的纠缠态实现调节偏振。控制发光，根据反馈结果驱动进行偏振调节，直到调节偏振。控制发光，根据反馈结果驱动进行偏振调节，直到。图控制下的偏振初始化结构图偏振初始化完成之后，的驱动电压将被锁定，系统自动转入秘密共享状态，并且每隔分钟进行次例行偏振检测，如果发现偏振恶化，则启动进行偏振控制。需要指出的是，对于相互正交的两个偏振态，对其中的个偏振态进行旋转将对另个产生同样的效果，因此在秘密共享阶段进行的偏振控制，只需要矫正和即可。另外，考虑到偏振对比度并非完全理想，在多次例行偏振控制后可能使同偏振基内的正交性变差，因此系统会每隔分钟重复次初始化过程。表系统各状态耗时比例类型时长分百分比成码耗时例行控制耗时初始化控制耗时总时长双侧腔内量子点设定个带电的量子点可以是自组装砷化铟镓砷化镓或者半导体纳米晶体量子点被放置在个双侧光学微腔的波腹内，图中给出了腔内量子点，腔由两个北京大学硕士学位论文砷化镓分布式布拉格反射镜和横向指针引导三维光限禁做成。其中为实现高共振传输，这个分布式布拉格反光镜具有三个特点双侧反射对称和低消耗。量子点光子透射光子入射光子反射图双侧腔内量子点腔内量子点之所以具有特殊的纠缠态相关性，主要在于其内部所遵循的具体规则单个带电量子点表现负电激子的光学共振性质，这种负电激子是由两个受空穴限制的电子组成的，而且依据不相容原理，可以总结出负