芯片集成量子通信系统关键器件研究
发布时间：2021-07-30 10:08
随着量子技术的不断突破,给现有的公钥密码体制带来了严峻的挑战。为了应对量子计算时代信息安全面临的挑战,量子通信成为了当前的研究热点。同时量子通信也是量子信息学科的重要研究分支,包含量子密钥分发、量子隐形传态等,在分布式量子计算和信息安全领域具有重要的作用。其中研究较为成熟的是量子密钥分发（Quantum key distribution,QKD）技术。自上个世纪80年代首个QKD协议（BB84协议）提出以来,这个领域得到了持续快速发展,我国在该领域的研究当前处于领先地位。例如我国自主研究建成的“量子京沪干线”为光纤量子组网指明了方向,同时也是诱骗态QKD方案较为成功的应用之一;同时以我国研制的墨子号量子科学实验卫星为可信中继的星地量子通信实验实现了洲际量子通信,是未来量子通信网络较有前景的构建载体之一。现有的量子通信系统主要基于自由空间和全光纤量子光学器件搭建的,体积大,稳定性有待提高,对环境有着极高的要求,在实际应用中具有诸多限制;其次,在电路控制方面要对各个分立器件进行独立的操作,很难实现大规模批量化生产和组装,且容易造成系统信息测漏;再次,QKD系统特别是星载QKD系统对应用器件...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于光纤的量子通信系统
国防科技大学研究生院博士学位论文第2页和舰载通信系统的实际需求，对实验装置的体积、载荷等有严格的要求。以光纤和自由空间为基础的量子通信系统装配在宇宙飞船以及军舰上时，会加重载荷压力，严重影响空间的利用。量子安全成码率(quantumsecurityrate)[20-22]是衡量量子通信系统安全与否的关键参数。为了进一步提高通信系统的成码率，可以将原来系统的二维Hilbert空间扩展为多维空间，这样不但可以提高密码生成速率，同时可以提供更有效的密钥成码率的估算方法，降低单纯依靠一个自由度的量子误码率(quantumbiterrorrate,QBER)[23-27]进行信息熵计算带来的误差。这就需要尺寸更小，操作更灵活的平台进行研究。集成光路以其器件尺寸孝集成度高、制备工艺简单和抗干扰能力强的特点[28-35]，成为了新一代量子通信系统的研究平台。当前基于光纤的量子通信实验系统，如图1.1所示[36]。而相应的芯片集成量子通信系统，如图1.2所示[37]。芯片集成量子通信系统所用的波导光学元件在微米量级，整个操控芯片只有硬币大小，通过将该结构级联可以实现多光子纠缠。相对于传统的量子光学实验系统，芯片集成系统，尺寸孝系统稳定性高、成本低、适用于复杂动态节点之间的安全通信。图1.1基于光纤的量子通信系统。图1.2量子态操控芯片。芯片平台作为新的量子通信系统实验平台被提出，得益于集成光路的发展，微纳加工技术的日益成熟，以及种类繁多的材料芯片平台，如:Si,LiNbO3,InP平台等[38-40]。与此同时光电混合技术取得了很大的突破，这为芯片上的位相调制提
国防科技大学研究生院博士学位论文第3页供了有力的条件。图1.3为Inter公司设计的一种光电混合集成的芯片。该芯片和CMOS工艺兼容，可以用集成电路对芯片进行调控。并且在未来可以实现由光源到探测一体化的芯片，为全芯片集成量子通信系统的实验指明了方向[41]。图1.3光互联芯片。1.2芯片集成量子通信系统研究现状2008年布里斯托大学的AlbertoPoliti提出集成光路具有自身的复杂性、鲁棒性和稳定性。并且在SOI芯片上实现了光量子环路的操作，测得上光子干涉系统的干涉度为94.8%，控制与非门的量子保真度>92%。这些结果表明可以将复杂的光量子光路直接写入硅基芯片上[42]。由此量子通信系统的集成研究由基于光纤和自由空间光学器件的实现方案拓展到芯片集成。2016年，JianweiWang等人实现了芯片到芯片（Chip-to-Chip）的QKD实验[43]，如图1.4所示，采用硅基光子集成技术，利用光栅耦合器等微纳光电子器件在芯片上实现量子纠缠分发，获得Bell不等式的背离值(Bell-typeviolation)为S=2.638±0.039。图1.4硅基光子集成量子纠缠和互连芯片。2017年P.Sibson等人[44]，实现了BB84、CoherentOneWay（COW）[45-46]和
【参考文献】：
期刊论文
[1]Polarization-independent grating coupler based on silicon-on-insulator[J]. 张晶晶,杨俊波,路环宇,吴闻军,黄杰,常胜利. Chinese Optics Letters. 2015(09)
[2]硅基微纳光电子系统中光源的研究现状及发展趋势[J]. 周治平,王兴军,冯俊波,王冰. 激光与光电子学进展. 2009(10)
[3]硅基集成光电子器件的新进展[J]. 周治平,郜定山,汪毅,陈金林,冯俊波. 激光与光电子学进展. 2007(02)
[4]支撑光网络发展的光子集成器件研发与趋势[J]. 王启明. 深圳大学学报. 2004(03)
[5]面向产业需求的21世纪微电子技术的发展（上）[J]. 王阳元,黄如,刘晓彦,张兴. 物理. 2004(06)
博士论文
[1]星地量子保密通信安全密钥提取关键技术研究[D]. 刘博.国防科技大学 2018
[2]硅基波导四波混频效应及应用研究[D]. 郭凯.国防科技大学 2018
[3]连续变量量子密码安全性研究[D]. 马祥春.国防科学技术大学 2015
[4]量子保密通信关键器件研制及攻防研究[D]. 江木生.国防科学技术大学 2015
[5]基于实际量子密钥分发系统的攻防研究[D]. 孙仕海.国防科学技术大学 2012
[6]SOI-MMI光波导器件与光开关研究[D]. 贾晓玲.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2005
硕士论文
[1]硅基光栅耦合器和波导分束器的研究[D]. 周阔.国防科学技术大学 2013
本文编号：3311211
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于光纤的量子通信系统
国防科技大学研究生院博士学位论文第2页和舰载通信系统的实际需求，对实验装置的体积、载荷等有严格的要求。以光纤和自由空间为基础的量子通信系统装配在宇宙飞船以及军舰上时，会加重载荷压力，严重影响空间的利用。量子安全成码率(quantumsecurityrate)[20-22]是衡量量子通信系统安全与否的关键参数。为了进一步提高通信系统的成码率，可以将原来系统的二维Hilbert空间扩展为多维空间，这样不但可以提高密码生成速率，同时可以提供更有效的密钥成码率的估算方法，降低单纯依靠一个自由度的量子误码率(quantumbiterrorrate,QBER)[23-27]进行信息熵计算带来的误差。这就需要尺寸更小，操作更灵活的平台进行研究。集成光路以其器件尺寸孝集成度高、制备工艺简单和抗干扰能力强的特点[28-35]，成为了新一代量子通信系统的研究平台。当前基于光纤的量子通信实验系统，如图1.1所示[36]。而相应的芯片集成量子通信系统，如图1.2所示[37]。芯片集成量子通信系统所用的波导光学元件在微米量级，整个操控芯片只有硬币大小，通过将该结构级联可以实现多光子纠缠。相对于传统的量子光学实验系统，芯片集成系统，尺寸孝系统稳定性高、成本低、适用于复杂动态节点之间的安全通信。图1.1基于光纤的量子通信系统。图1.2量子态操控芯片。芯片平台作为新的量子通信系统实验平台被提出，得益于集成光路的发展，微纳加工技术的日益成熟，以及种类繁多的材料芯片平台，如:Si,LiNbO3,InP平台等[38-40]。与此同时光电混合技术取得了很大的突破，这为芯片上的位相调制提
国防科技大学研究生院博士学位论文第3页供了有力的条件。图1.3为Inter公司设计的一种光电混合集成的芯片。该芯片和CMOS工艺兼容，可以用集成电路对芯片进行调控。并且在未来可以实现由光源到探测一体化的芯片，为全芯片集成量子通信系统的实验指明了方向[41]。图1.3光互联芯片。1.2芯片集成量子通信系统研究现状2008年布里斯托大学的AlbertoPoliti提出集成光路具有自身的复杂性、鲁棒性和稳定性。并且在SOI芯片上实现了光量子环路的操作，测得上光子干涉系统的干涉度为94.8%，控制与非门的量子保真度>92%。这些结果表明可以将复杂的光量子光路直接写入硅基芯片上[42]。由此量子通信系统的集成研究由基于光纤和自由空间光学器件的实现方案拓展到芯片集成。2016年，JianweiWang等人实现了芯片到芯片（Chip-to-Chip）的QKD实验[43]，如图1.4所示，采用硅基光子集成技术，利用光栅耦合器等微纳光电子器件在芯片上实现量子纠缠分发，获得Bell不等式的背离值(Bell-typeviolation)为S=2.638±0.039。图1.4硅基光子集成量子纠缠和互连芯片。2017年P.Sibson等人[44]，实现了BB84、CoherentOneWay（COW）[45-46]和
【参考文献】：
期刊论文
[1]Polarization-independent grating coupler based on silicon-on-insulator[J]. 张晶晶,杨俊波,路环宇,吴闻军,黄杰,常胜利. Chinese Optics Letters. 2015(09)
[2]硅基微纳光电子系统中光源的研究现状及发展趋势[J]. 周治平,王兴军,冯俊波,王冰. 激光与光电子学进展. 2009(10)
[3]硅基集成光电子器件的新进展[J]. 周治平,郜定山,汪毅,陈金林,冯俊波. 激光与光电子学进展. 2007(02)
[4]支撑光网络发展的光子集成器件研发与趋势[J]. 王启明. 深圳大学学报. 2004(03)
[5]面向产业需求的21世纪微电子技术的发展（上）[J]. 王阳元,黄如,刘晓彦,张兴. 物理. 2004(06)
博士论文
[1]星地量子保密通信安全密钥提取关键技术研究[D]. 刘博.国防科技大学 2018
[2]硅基波导四波混频效应及应用研究[D]. 郭凯.国防科技大学 2018
[3]连续变量量子密码安全性研究[D]. 马祥春.国防科学技术大学 2015
[4]量子保密通信关键器件研制及攻防研究[D]. 江木生.国防科学技术大学 2015
[5]基于实际量子密钥分发系统的攻防研究[D]. 孙仕海.国防科学技术大学 2012
[6]SOI-MMI光波导器件与光开关研究[D]. 贾晓玲.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2005
硕士论文
[1]硅基光栅耦合器和波导分束器的研究[D]. 周阔.国防科学技术大学 2013
本文编号：3311211
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