發(fā)布時間：2018-08-03 19:35

【摘要】：量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)的基本原理,它應(yīng)用了海森堡不確定性原理和未知量子態(tài)的不可克隆性,具有無條件的安全性,因而成為國內(nèi)外密碼學(xué)和量子物理學(xué)領(lǐng)域研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。從誕生到現(xiàn)在二十年以來,量子密鑰分發(fā)從實(shí)驗(yàn)室研究,已經(jīng)發(fā)展到了數(shù)十個用戶的小規(guī)模城域組網(wǎng),而且正在從城域網(wǎng)向更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡(luò)邁進(jìn),乃至發(fā)展為全球規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)。因此研究量子通信網(wǎng)絡(luò)中的多址接入技術(shù)十分重要。本文正是圍繞多址技術(shù)展開研究,包括量子通信網(wǎng)絡(luò)中的多址技術(shù)以及波分多址中的單光子波長變換技術(shù)。首先,論文介紹了多用戶量子通信的研究以及發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了在量子通信網(wǎng)絡(luò)中研究多址接入技術(shù)和單光子波長變換的重要意義。其次,講述了多用戶量子通信技術(shù)的相關(guān)理論知識,包括從功能、協(xié)議兩個方面來描述了量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu);講述了量子比特、幾種常見量子態(tài)、不確定性原理和未知量子態(tài)的不可克隆性以及光場的量子化等量子信息相關(guān)理論基礎(chǔ);闡述了單光子信號的制備以及探測技術(shù);介紹了基于單光子信號的量子通信協(xié)議,包括BB84協(xié)議、弱相干光誘騙態(tài)協(xié)議。第三,參考經(jīng)典通信中多址接入方式,研究了量子通信網(wǎng)絡(luò)中可行的多址技術(shù),構(gòu)建了多址網(wǎng)絡(luò)模型,分析對比了量子密鑰產(chǎn)生率,結(jié)果表明基于TDMA(Time Division Multiple Access)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)可以提供一個沒有干擾的、高效的量子密鑰分發(fā)服務(wù);基于CDMA(Code Division Multiple Access)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)在碼重??1時才能實(shí)現(xiàn)它的最佳性能。針對基于CDMA的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)提出了一種采用LBS(Listen Before Send)算法的改進(jìn)方法;針對TDMA網(wǎng)絡(luò)模型的不足,引入波長這一參數(shù),結(jié)合WDM(Wavelength Division Multiplexing)技術(shù),進(jìn)一步構(gòu)建了一種支持大容量多用戶的WDM-TDMA混合網(wǎng)絡(luò)模型,分析了其密鑰產(chǎn)生速率。第四,針對量子通信網(wǎng)絡(luò)中子網(wǎng)間的量子信息交換導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)阻塞問題,研究了波分多址中的單光子波長變換技術(shù)。證明了四波混頻(Four-Wave Mixing,簡記FWM)與差頻(Difference Frequency Generation,簡記DFG)過程中量子態(tài)完全轉(zhuǎn)移的可能性以及其實(shí)現(xiàn)單光子波長完全轉(zhuǎn)換的條件;構(gòu)建了一種基于FWM與DFG級聯(lián)的單光子波長二次變換初步實(shí)驗(yàn)方案,并對方案進(jìn)行了簡單的分析。最后,對全文進(jìn)行了總結(jié)以及對未來工作進(jìn)行了展望。
[Abstract]:Quantum key distribution is based on the fundamental principles of quantum mechanics. It applies the Heisenberg uncertainty principle and the non-cloning of unknown quantum states, and has unconditional security. Therefore, it has become a hot spot in the field of cryptography and quantum physics at home and abroad. From birth to now, quantum key distribution has developed from laboratory research to small scale metropolitan area network of dozens of users, and is moving from man to wide-area network on a larger scale. Even the development of quantum communication networks on a global scale. Therefore, it is very important to study the multiple access technology in quantum communication networks. This paper focuses on multiple access technology, including multiple access technology in quantum communication networks and single-photon wavelength conversion technology in wavelength division multiple access (WDM). Firstly, the research and development of multiuser quantum communication are introduced, and the significance of studying multiple access technology and single photon wavelength conversion in quantum communication network is expounded. Secondly, the theoretical knowledge of multiuser quantum communication technology is described, including the basic structure of quantum key distribution network from the aspects of function and protocol, quantum bits, several common quantum states, The principle of uncertainty, the noncloning of unknown quantum states, the quantization of light field, the preparation and detection technology of single photon signal, the quantum communication protocol based on single photon signal are introduced. Including BB84 protocol, weak coherent optical decoy state protocol. Thirdly, referring to the multiple access mode in classical communication, the feasible multiple access technology in quantum communication network is studied, the model of multiple access network is constructed, and the quantum key generation rate is analyzed and compared. The results show that the quantum key distribution network based on TDMA (Time Division Multiple Access) can provide a non-interference and efficient quantum key distribution service, and that the quantum key distribution network based on CDMA (Code Division Multiple Access) can achieve its best performance only at code replay 1. An improved method based on LBS (Listen Before Send) algorithm is proposed for quantum key distribution network based on CDMA, and the parameter of wavelength is introduced into the model of TDMA network, which is combined with WDM (Wavelength Division Multiplexing) technology. Furthermore, a WDM-TDMA hybrid network model supporting large capacity and multiple users is constructed, and its key generation rate is analyzed. Fourthly, the single photon wavelength conversion technique in wavelength division multiple access (WDM) is studied for the blocking problem caused by quantum information exchange between subnetworks in quantum communication networks. The possibility of quantum state complete transfer in the process of Four-Wave mixing (FWM) and differential (Difference Frequency Generation, shorthand (DFG) is proved, and the condition of realizing the complete conversion of single photon wavelength is also proved. An experimental scheme of single photon wavelength secondary conversion based on FWM and DFG cascade is proposed and analyzed. Finally, the paper summarizes the full text and prospects the future work.
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN929.11;TN918.4

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