量子密钥分发网络应用技术的实验研究

量子密钥分发是当今国际上量子信息领域研究的前沿和热点课题，在信息安全技术领域，量子密码术可以做到密钥绝对安全的分发。本申请提出利用环形器作为节点、四端口偏振分束/合路器为核心的量子密钥收发器的构建方案，这一方案为设计新型量子密钥分发网络提供理论依据和技术支持，拟重点开展以下五方面的研究：①结构简单、容易拓扑的量子网络的设计理论；②环形量子网络的节点设计方案；③通信终端、信任中继、完全隔离的功能变换理论和构建方案；④量子密钥分发用户终端收发模块的方案设计、构建和稳定性分析；⑤开发量子密钥分发网络的控制电路系统、控制软件以及量子密钥分发专用操作系统。通过本项目的开展，提供一套完整的量子密钥分发网络系统和配套的应用程序软件，实现结构简单、全连通、效率高的特点，推动量子密钥分发技术实用化进程，网络化也是量子密码术走向实际应用的必然途径。

量子力学与信息科学交叉形成了以量子计算和量子通信为主要内容的量子信息科学。量子力学的特殊性质赋予了量子信息独特优势，使得量子通信具有高度的安全性、受到了学术界和产业界的高度重视。按照原计划，本项目围绕量子密钥分发网络应用技术的实验研究，为量子密钥分发网络提供了理论依据和技术支持。在实验上取得了一些具有原创性的成果：(1) 首次提出并验证了基于现有商用光纤器件实现三方量子秘密共享协议的实验方案，该方案能够自动补偿光纤双折射效应，且可长时间保持稳定。该文章7月份在Optics Express发表后，8月份被美国光学学会（OSA）选为当月高品质论文，主编认为这篇文章对这个领域的发展具有推动性作用。该领域国际著名学者加拿大渥太华大学的Filippo Miatto教授为该文章编写了Spotlight评论。其学术价值得到了该领域内全球研究者的关注与肯定。（2）实现了基于偏振分束器构建多方量子通信系统，对该系统的工作机理以及稳定性的物理基础进行了数学建模和理论分析，结果显示该方案能够抵制温度、机械振动等外界因素的影响。基于此系统首次提出了全光纤单量子比特秘密共享实验方案，试验中获得了干涉对比度优于99.4%，在数月的检测时间内，抖动小于0.4%的结果。（3）完成了利用模数转换器提高真随机数源速率的方案,该方案基于衰减脉冲激光光子间隙随机分布,可使随机数的产生速率提高十几倍，产生的各比特位随机数序列顺利通过了国际ENT测试标准。（4）完成基于Sagnac环的全光纤高速偏振控制方案，通过调节相位差从而达到对光的偏振方向的精确控制。该方案器件结构简单，稳定性高，易于集成，成本低廉，具有很好的应用前景。（5）首次实现了基于一个弱相干光的量子指纹协议原理性验证，实验上证明了，即使实际实验系统存在缺陷，量子指纹协议所需发送的数据量仍然可以低于经典指纹协议。.在本项目的资助下，发表标注国家自然科学基金资助 (批准号：61178010) 的SCI收录的学术论文共21篇，EI收录2篇，申请中国发明专利1项。其中在高水平的国际著名期刊Optics Letters上发表1 篇，Optics Express 上发表 1 篇，与加拿大多伦多大学LO小组合作在Nature Communications发表 1 篇，Physical Review A 上发表 1 篇。超额完成了研究计划。