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基于光纤集成金刚石NV色心单光子源的量子随机数产生系统研究

基于光纤集成金刚石NV色心单光子源的量子随机数产生系统研究

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作者：张奭恒电子科技大学

学位级别：硕士

量子随机数的一个至关重要的特性是严格随机性,它可用于量子计算、量子测量、量子网络、量子通信等领域。经典的量子随机数产生系统采用衰减激光脉冲作为激发光源,很难同时具有高光子计数率和优良的单光子特性,并且在得到随机数的过程... 详细信息

量子随机数的一个至关重要的特性是严格随机性,它可用于量子计算、量子测量、量子网络、量子通信等领域。经典的量子随机数产生系统采用衰减激光脉冲作为激发光源,很难同时具有高光子计数率和优良的单光子特性,并且在得到随机数的过程中需要对数据进行极为复杂的处理。本文提出了一种基于光纤集成金刚石NV色心单光子源的量子随机数产生方法,在使用激光共聚焦扫描平台进行定位的基础上,将体积庞大的物镜替换为光纤集成器件,在器件中,抛物面聚光透镜用于收集金刚石样品发出的荧光,对比传统方法使用物镜进行荧光收集时的效率提高了20%。使用基于光纤集成的激光共聚焦扫描定位系统对金刚石样品进行探测,激发金刚石氮-空位(Nitrogen-Vacancy,NV)色心晶体单光子源,该单光子源的饱和亮度为1.5 Mcounts/s,零延时二阶关联函数为0.48(小于标准界限0.5)。量子随机数产生系统的熵源是单光子源经过光纤分束器时的通道随机选择结果。金刚石NV色心受激发后发出的荧光通过单光子探测器检测其单光子性,之后再通过时间数字转换器就可以采集到随机数。本文提出的量子随机数产生方法采用半自检测的方案,该方法生成的消偏差随机数产生速率大约为350 k Hz,消偏差随机数序列通过NIST程序包检测,各项测试的通过率都超过98%。通过计算生成的消偏差随机数序列的条件最小熵大约为每比特2.04,表明生成的消偏差随机数序列具有高随机性。同时。在扫描样品的过程中不需要反复调节物镜的工作距离,降低了系统的操作难度。测量系统的成本也得到缩减,对比传统方法,符合实验条件的物镜的平均价格超过2万元,而本方案使用的光纤集成器件总价仅不到5千元,这也是本文的主要创新点所在。本文主要内容如下。(1)对量子随机数产生系统的背景、分类及意义作简要概述。结合量子随机数产生系统的研究现状,就进一步提升量子随机数产生系统的效率,提出了一种基于光纤集成金刚石NV色心单光子源的量子随机数产生方案。(2)分析并设计量子随机数产生系统的总体方案。首先介绍量子随机数产生系统的原理;其次介绍金刚石NV色心的基本性质,主要包括结构、光学性质和光探测磁共振谱(Optical Detected Magnetic Resonance,ODMR);之后由其基本性质总结其能够作为量子随机数产生系统单光子源的原理,并介绍金刚石NV色心单光子源的应用;最后依照以上原理结合光纤集成方法的优越性提出系统的详细设计方案。(3)对量子随机数产生系统实现的关键环节进行分项测试验证。首先研究金刚石NV色心单光子源的性能,包括单光子源的扫描定位和单光子源的特性验证;之后详细描述了Hanbury-Brown-Twiss(HBT)装置,同时对单光子源的零延时二阶关联函数进行计算和分析。(4)对整个量子随机数产生系统进行论述,并完成全面测试验证。首先介绍了随机数产生的原理,之后对实验采集到的随机数进行后处理和分析,最后使用NIST统计检测程序测试随机数序列的随机性,并依据得到的结果评价基于光纤集成金刚石NV色心单光子源的量子随机数产生方法的性能。(5)总结本论文完成的研究工作,并展望了课题的下一步研究方向。

关键词：量子随机数产生光纤集成单光子源 NV色心金刚石

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面向物理层安全的混沌光通信和量子随机数产生技术研究

面向物理层安全的混沌光通信和量子随机数产生技术研究

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作者：向顺凯华中科技大学

学位级别：硕士

目前光纤通信网络作为整个通信网络的核心,是整个互联网通信的主干道和大动脉,承担了大量的信息交互任务。虽然光传输网络的容量和传输速度在各种先进技术的支持下已经得到了长足的发展和进步,但是各种层出不穷的信息泄露事件使得保证... 详细信息

目前光纤通信网络作为整个通信网络的核心,是整个互联网通信的主干道和大动脉,承担了大量的信息交互任务。虽然光传输网络的容量和传输速度在各种先进技术的支持下已经得到了长足的发展和进步,但是各种层出不穷的信息泄露事件使得保证光网络的安全性成为了一个亟待解决的关键问题。目前绝大多数的信息加密都是采用数学算法的数字加密方式,容易被破解。以混沌激光通信和量子密钥分发为代表的物理层安全光通信技术因其不可预知和难于破解的保密特性,受到了广泛的关注,可以为构建更加安全的光通信网络提供强大的技术支撑。本文面向解决网络物理层安全问题,聚焦混沌光通信和量子密钥分发中的关键技术,开展了广泛的研究和探索,具体研究内容和成果如下:(1)实验研究了基于半导体激光器互注入的全光宽带混沌同步与通信方案。得益于两个半导体激光器的互注入,实现了3d B带宽为～13GHz的平坦光混沌载波的产生。采用单向光注入的方式实现了同步系数高达0.961的高质量混沌同步,并验证了混沌滤波效应的存在。成功实现了12.5Gbaud开关键控(OOK:On-Off Keying)信号和10Gbaud正交相移键控(QPSK:Quadrature Phase-Shift Keying)信号的加密传输。(2)实验研究了基于深度神经网络的混沌同步与通信方案。根据硬件闭环混沌同步的结构特点,对传统神经网络的结构进行了针对性改进并提出了具有延时反馈结构的新型神经网络。系统研究了不同反馈神经元数目下的同步系数和保密性能,确定了最佳的反馈神经元数目并获得了高质量的混沌同步。成功实现了10Gbaud和12Gbaud QPSK信号的加密传输。(3)针对量子密钥分发中的真随机数产生问题,理论和实验研究了基于分布反馈式(DFB:Distributed Feedback)激光器强度和相位噪声的量子随机数产生方案。理论研究了量子随机数产生的基本模型,系统分析了用于量子噪声测量的非平衡马赫曾德尔干涉仪(u MZI:unbalanced Mach-Zehnder Interferometer)在不同相位差下的随机数产生性能,并进行了实验证实。理论和实验证明,u MZI的最佳相位差为π/2。最后利用托普利兹-哈希(Toeplitz-hashing)随机性提取器对位于最佳相位差下的原始序列进行了随机性提取,提取得到的最终随机比特序列通过了美国国家标准与技术研究院(NIST:National Institute of Standards and Technology)的随机数测试。

关键词：物理层安全混沌光通信神经网络量子随机数产生

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