量子通信关键技术——单光子源、同步系统、单光子探测器

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来源：中为咨询www.zwzyzx.com 【日期：2016-06-20 11:55:27】【打印】【关闭】

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量子通信技术可分为4个部分，分别为量子密钥分配QKD、量子通信协议、量子器件和量子编码。量子编码技术主要应用于量子计算，现阶段实用的量子通信系统主要涉及前三种技术。

量子密钥分配的最终成码率与安全距离和单光子源、同步系统、单光子探测器这三大关键技术密切相关。激光源的稳定性、同步系统的时间分辨率以及单光子探测器的工作频率、探测效率和暗计数等指标对最终的成码和所能达到的安全通信距离起着决定性作用。

QKD协议及技术成熟度

1）单光子源
量子密钥是编码在单光子上的，这一点与经典密码系统有很大的不同。若是不能实现用单光子进行编码，则Eve就可以采取与经典窃听相同的办法，截取拥有相同信息的多个光子中的一个或多个用于测量以获取信息，海森堡测不准原理和量子不可克隆定理将无法发挥作用，量子密钥的安全性将无法保证。

但是到目前为止，单光子源还停留在理论和实验研究阶段，比如目前提出的一些采用Na粒子发射、量子点或者光学微球腔等方法，这些无论在技术实现上还是效率上都存在难以克服的问题。在现阶段的QKD中，比较常用的方法是使用经过强衰减的脉冲激光器来代替单光子源，我们把这种光源称为“弱相干光源”。

在这种弱强度脉冲激光中，每个脉冲中的光子分布遵从泊松分布，在一定光子数概率下，可以近似认为就是单光子源，不过会因此引入一定概率的误码，以及增加了被窃听的概率。多光子脉冲会让Eve有可能分离出其中一个光子做测量而不影响其它光子，再通过窃听对基信息而得到密钥，因此可以在不引入误码的情况下获得密钥信息，导致安全性降低，这种窃听方式称为“光子数分束攻击”(PhotonNumbersplittingAttack，PNS)。

如果弱相干光源的系统损耗超过某一值时，PNS攻击就会威胁系统的安全性。有文献介绍了采用诱骗态(DecoyState)的方案，使得弱相干光源能够完全抵抗PNS攻击，因此让弱相干光源的实用性得到了很大的扩展。

单光子源的最重要的指标是功率稳定性、波长稳定性、光谱线宽和可调制带宽，这些特性和整个量子密钥分配系统的成码率直接相关。

2）单光子探测器
在接收端接收信号光子的器件就是单光子探测器。

单光子探测技术是一种极弱光检测技术，它不仅使用在量子密钥分配中，在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射等领域也有着广泛的应用。

能实现单光子探测的器件种类较多，比如光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)、超导探测器、增强型光电极管(IPD)、微球板(MSP)、真空光电二极管(vAPD)等。光电倍增管适合在紫外光和可见光波段的测量，但对于量子通信中常用的红外波段其探测效率很低。量子通信中目前应用比较多的是APD探测器和超导探测器，其中最常见的是APD探测器。

3）同步系统
量子通信中，由于工作在脉冲的方式下，需要收发双方都处于相同的工作频率，使发射方按照一定的工作频率发送信号光子，接收方也必须按照相同的频率探测光子，并且能准确分辨相互对应的脉冲信号。为达到此目的，收发双方需要有一个同步系统作为联系，起到连接收发双方工作的作用。

量子通信分为量子信道和经典信道，量子信道是作为光子传输量子态的路径。而经典信道指的是在作基矢比对时所需的传统信道，也即同步系统。同步系统的具体作用主要有：一是控制APD探测器的门时间，二是作为外部标准，对APD探测器输出的随机信号计数，以便进行后续的数据筛选、数据纠错等工作。同步系统作为一个经典通信技术，主要是由电子学方法实现的，不过为了使两个信道在时间上严格一致，通常会选择将电信号转为光信号，通过光信道传输后再转回电信号。

由于量子通信系统工作时的脉冲宽度很窄，在ns的量级，这就决定了同步系统需要有高精度、高稳定性的特点。同步系统的精度、稳定度不够，不但可能引入不必要的误码率，甚至有可能使整个系统完全错位而无法成码。

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