论文部分内容阅读
量子密钥分发(quantum key distribution，QKD)通过在单光子上编码实现Alice和Bob之间安全密钥交换，可以通过检测窃听者留下的痕迹来发现是否受到攻击。其安全性依赖于量子力学的物理法则——不可克隆原理和海森堡不确定性原理，而不是现在通信系统的数学或算法复杂度，因此量子密钥分发在军事、国防、私人通信等信息安全领域发挥重要作用。目前，量子密钥分发不再局限于实验室的实现，基于不同实际信道的量子密钥分发已经成为其应用研究的重要课题，常见信道包括光纤信道、自由空间信道以及海水信道，其目标是构建一个地-地、地-空以及水下全方位的量子密钥分发网络。对于地面节点的量子密钥分发，如果能够将量子信号和现有经典光纤通信的数据信号兼容到一条光纤中运行，则可以降低最终用户的应用成本，所以量子信道和经典商用光纤信道的兼容性研究变得非常重要。经典信道产生的自发拉曼散射噪声及四波混频噪声会降低量子密钥分发系统的安全密钥率，因而世界各国投入了较大的精力进行降低噪声的相关技术研究。 本文分析了经典信道对量子信道的影响，提出了一种基于WDM-TDM-WDM(wavelength division multiplex, WDM; time division multiplex,TDM)转换技术的单波长量子密钥分发系统和经典通信系统共存的方案。 本学位论文的主要工作包括: 1、实验测量了经典数据信道产生的自发拉曼散射噪声对量子信道的影响。密集波分复用经典数据信号在光纤中传输时会产生自发拉曼散射、四波混频、受激拉曼散射和受激布里渊散射等非线性现象，会影响量子密钥分发系统的性能，甚至使其无法运行。论文测量了经典数据信号在不同重复频率(10MHz、20MHz、40MHz和80MHz)及不同光纤长度(25km和50km)时的自发斯托克斯拉曼散射噪声和自发反斯托克斯拉曼散射噪声的时域分布，为最终解决量子信道和经典光纤通信信道的兼容问题提供了必要的实验基础。 2、提出了一种量子密钥分发系统和经典通信系统同波长时分复用的方案。在此方案中，发送端使用WDM-TDM转换节点将波分复用经典数据信号转换为时分复用信号，使用光开关节点将经典数据信道和量子信道复用在同一光纤中。在接收端，使用光开关节点将经典数据信道和量子信道解复用，使用TDM-WDM转换节点将时分复用经典数据信号转换为波分复用信号。在主干线路中，经典信道和量子信道的波长相同，不会产生四波混频噪声，并且经典数据信道产生的自发拉曼散射噪声的波长与量子信号的波长不同，因而大部分噪声可以通过窄带滤波器消除，另一小部分噪声可以通过将少量量子信号抛弃来消除，此时在理论上本方案可以完全消除经典数据信号产生的噪声。