基于USB的量子密钥分发系统中高速数据通道的设计

提出了一种量子密钥分发(QKD,quantum key distribution)系统中高速数据通道的设计方案—基于通用串行总线(USB,universal serial bus)的数据通道。通过对QKD系统中经典信道数据带宽的分析,设计了USB数据通道方案,并通过USB的速度的测试给出合适的USB参数。实验表明,此数据通道可以适应光子发射频率为20 MHz的QKD系统,且在带宽方面有很大的余量,可以适应后续QKD系统速度提升的需求。     

光子相位调制偏振编码/解码量子密钥分发系统

基于B92协议,提出相位调制实现偏振编码/解码的量子密钥分发实验系统方案。通过相位调制可以实现对光子偏振和相位的精确补偿,降低误码率。用算符来描述实验系统中的光学器件,态函数来描述光子的偏振态,算符对态函数的作用反映了光子偏振态的变化,便于理解光子偏振态的演化。这种编码的方案具有传输距离大和编码效率高的特点,而且经济、实用。     

基于偏振追踪的卫星量子密钥分配研究

卫星量子密钥分配是克服基于光纤密钥分发中距离限制的有效途径,偏振追踪技术是卫星量子密钥分配的关键技术。在光地面站和卫星之间的自由空间中进行量子密钥分配时,由于卫星的运动往往造成光子偏振态发生变化。为实现移动终端间基于偏振的量子密钥分配,本文提出基于偏振追踪机制量子密钥分配的通用参考框架,实现接收端在不需要有关发射端方向信息的前提下,仅通过检测标光信号即可判断收发方参照共同偏振基的向量。另外,本文还设计了采用上述框架的自由空间量子密钥分配原型系统。     

一种新的量子密钥分发、认证协议

为了提高量子密钥的分发效率,降低信道要求,并在密钥分发过程中实现身份认证,提出了一种新的量子密钥分发协议,在该协议中载波光子的发送与接收仅由一方完成.该协议只有一条量子信道,通过在量子信道的中段对光子进行偏振调制,可将欲传递的信息附加到光子上;同时,该协议通过通信双方的共享信息进行身份认证,避免了以往同类协议中不安全的经典信道.该协议属于偏振光类型的量子传输协议.当收发均由一方进行时,能有效地提高光子的利用效率,并增强安全性能.     

基于提高MEMS器件光取出率的环形光子晶体结构设计

光子晶体在通信、激光以及光子集成等方面有着广泛的应用前景。然而,由于传统圆形光子晶体微腔是一种形成偏振的结构,不能高效兼顾TE和TM电磁波,使其应用受到了限制。微机电系统MEMS由于其微小尺寸的限制,较难提高涉及到光学器件的光取出率。因此我们将光子晶体和光学微机电系统器件相结合,运用FDTD的方法,设计了一种无偏振环形光子晶体的结构,能够兼顾TE和TM电磁波,提高器件光取出率。经过结构优化,当环形光子晶体的周期在a=560 nm、内半径r=249 nm、外半径R=271 nm以及厚度d=410 nm时,发现在波长1 310 nm处存在光子禁带。成功实现了光子晶体表面在低损通信信道的共振,从理论上扩展了光学MEMS器件的应用范围。     

高效二维光子晶体偏振光分束器的设计

基于光子晶体线缺陷波导在不同偏振模式下的色散特性差异,提出了一种偏振光分束器的设计方法,利用具有完全禁带的二维三角晶格光子晶体,通过增大线缺陷波导侧边空气柱的半径,得到仅能传输单一偏振模式的单模光波导,并结合微腔与波导间的共振耦合原理设计了一种高效的偏振分束器。用时域有限差分法模拟了偏振分束器的传输特性,结果表明,当归一化频率为0.3654的光入射时,偏振分束器能够高效率大角度分离TM和TE两种不同模式的偏振光,且TM模与TE模输出光的偏振消光比分别为28.9dB和32.7dB,器件尺寸为20.4μm×12.3μm,该设计在未来集成光回路中有着很大的应用潜力。     

基于完全带隙的蜂窝型光子晶体偏振分束器

利用二维蜂窝晶格介质柱型光子晶体,设计一种带有微腔结构的光子晶体偏振分束器.采用平面波展开法计算该结构的光子带隙,并使用时域有限差分法得到其电场分布图和透射率,进一步分析所设计器件的消光比.结果表明:所设计的偏振分束器在波长1 550 nm处实现了横电(TE)模和横磁(TM)模的120°偏振分离,透射率均达98%以上,偏振最高消光比分别达到29.21和19.01 dB.并且偏振分束器尺寸较小,仅为14μm×16μm,结构紧凑,满足偏振分束器易于集成、透射率高、抗干扰强等要求,在未来光学元件和集成光路中具有良好的应用前景.     

实现双偏振光波信号单向传输的二维光子晶体异质结构设计

将全反射引入到异质结交界面,设计了一种双偏振态下可以实现光信号单向传输的二维四方晶格固固光子晶体异质构。该异质结构是由硅柱嵌入二氧化硅背景材料的光子晶体和二氧化硅柱嵌入硅背景材料的光子晶体叠加而成。该结构实现了光通信中心波长1 550nm附近的双偏振态光波信号单向传输。分析了不同偏振态下的能带结构,结果表明:由于在异质结交界面处的全反射耦合作用,该异质结构不再受到方向能带的束缚,实现了光波信号的单向传输。此外,还优化了结构周期和输出波导宽度,使得TM和TE偏振的单向传输效果得以增强,对比度提高,并且拓宽了单向传输范围。     

一种适用于量子密钥分配网络的组密钥协商方案

为了更好地在QKD(Quantum Key Distribution)中服务多用户组播通信,在量子密钥成对产生的特殊应用背景基础上,构建了组密钥协商模型,提出了一种基于分簇结构和二进制编码的组密钥协商方案.该方案消耗少量的端端量子密钥,经过安全协商,得到一致的组密钥.当新成员加入或者旧成员离开时,密钥更新快速易行.分析发现,该方案具有较好的安全性.     

激光

1 激光的产生 分子、原子或离子处于较高能级时可以自动发射一个光子而跃迁到较低能级，这样的辐射称为自发辐射。各个粒子都是独立地发出光子，并向四面，且他们的频率、相位和偏振方向都是彼此无关的，这种光是非相干光，是普通光源所发出的。 光通过物质时，一部分光子将被粒子吸收，使它们跃迁到较高能级频率适当的照射光还可以迫使处于高能级的粒子发射光子而回到低能级，这样发射的光子称为受辐射，它的频率、相位、进行方向和偏振方向都和诱发光子相同，这种光是相干光。当物质中有辐射能时，吸收、自发辐射和受激辐射三种过程同时进…     

六态协议在路径攻击下的安全性研究

介绍了实际QKD系统中窃听者有可能采取的一种比较有效的窃听方式,针对六态协议的安全性进行了分析。在实际QKD系统中,窃听者可以选择合适的路径实施路径攻击来获取信息,这种路径攻击不但不会改变激光脉冲中的光子数分布,而且可以通过量子信道的损耗进行隐藏而不被觉察。数据分析显示,在实际QKD系统中,Eve获取的信息量要比理想情况下的大。     

2021年中国十大科技成果盘点

一、我国成功构建了世界首个天地一体化的量子通信网络 1 月,中国科学技术大学潘建伟团队与中科院上海技术物理研究所等单位合作,构建了世界上首个天地一体化量子通信网络.量子密钥分发主要有光纤和自由空间两种实现方式.科研人员在量子保密通信"京沪干线"与"墨子号"量子卫星成功对接的基础上,构建了世界上首个集成700 多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个卫星对地自由空间高速QKD 链路的广域量子通信网络,实现了星地一体的大范围、多用户量子密钥分发.     

旋涡光学与轨道角动量高维编码量子通信研究

阐述了光学旋涡的物理本征态、产生与调控技术,总结了基于OAM(Orbital Angular Momentum)调制的高维编码QKD以及OAM和自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM)的制备方法.利用I类相位匹配BBO晶体经自发参量下转化获得信号光子和闲置光子OAM纠缠光子对;采用SAM和OAM自由度转换器件,将SAM转化为OAM.另外,运用空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)作为OAM纠缠态的"后选择"联合调制器,基于该单元技术提出基于OAM改进的BB84 QKD系统、SAM-OAM混合纠缠量子态的QKD系统,并提出三光子纠缠W态的制备方案.结果表明,编码信息量达log2(m+2)比特(m为l的可取值个数),有望实现可扩容量子比特的安全通信,具有高维度、强纠缠特性与抗比特丢失能力,实验中单元技术对进一步增加量子通信信道复用能力和改善网络安全性具有十分重要的意义.     

一种六角点阵结构的金线填充偏振分束器

目的 基于光子晶体光纤的特殊结构，设计一种六角点阵结构的金线填充偏振分束器。六角点阵结构和金线填充设计有利于获得高双折射，使其具有更小的耦合长度，有利于器件小型化。方法 利用矢量光束传播法设计，并对偏振分束器的特征性能参数进行了数值计算分析。结果 当偏振分束器的周期Λ=1.14μm,相对孔间隔比d/Λ=0.733,椭圆率为0.78时，该光子晶体光纤偏振分束器的长度为369.24μm,在1.55μm处消光比为-37.8 dB,低于-10 dB消光比的带宽为18.9 nm。结论 计算结果表明，通过金线填充的光子晶体光纤，获得了短耦合长度、宽工作带宽的偏振分束器。     

超大折射率对光子自旋霍尔效应的影响

本文研究了具有超大折射率的各向异性介质表面所发生的光子自旋霍尔效应,从理论上模拟了光自旋霍尔效应所产生的横移.结果表明,通过改变介质的折射率,我们可以很好的对此横移进行调控,横移的调控范围很大.H偏振分量的重心横移在负数到正数范围内可连续变化,V偏振分量的重心横移在此范围内不能连续变化.同时,H偏振分量的重心横移的调控范围远大于V偏振分量的重心横移的调控范围.因此,利用各向异性超大折射率介质来调控光子自旋霍尔效应对于未来的新型光子器件的诞生可以奠定良好的基础.     

基于铌酸锂纳米晶体颗粒二次谐波发射特性研究

基于纳米结构的二次谐波发射是构建高灵敏度生化传感器等纳光子器件的重要手段,其中如何获得增强的二次谐波发射是实现这些应用的关键.本文采用溶剂热法制备出类钻石的十二面体铌酸锂纳米晶体颗粒,实现了磁偶极共振模式的有效激发.基于磁偶极共振对入射场能量的聚焦作用,以及铌酸锂材料本身所具有的较强二阶非线性响应,所制备铌酸锂纳米晶体颗粒能够实现二次谐波的增强发射.不同粒径铌酸锂颗粒散射光谱及二次谐波发射光谱的测试结果表明,当激发光波长与纳米颗粒的磁偶极共振模式匹配时,可有效增强二次谐波发射强度,其非线性转换效率达到2.0×10^-6W^-1.这些研究结果表明本文所制备的铌酸锂纳米晶体颗粒是一种较为理想的非线性纳米材料,在非线性纳光子器件的设计等领域具有潜在的应用价值.     

基于相位编码的高效量子密钥分配方案

提出了一种新的单向量子密钥分配方案.该方案利用光子的两列子波之间相位差关系形成的干涉结果进行编码,并且利用与干涉结果独立的光子偏振态进行窃听检测.并对该方案的效率和安全性进行了分析.理论分析表明,该方案的光子利用率为100%,而经典通信量仅约为BB84方案的一半,信息传输效率约为2n/(3n+4),高于BB84方案25%的效率值,随着传输光子数n的增大,效率值将趋近于66.7%.而且,该方案对于截获重发、测量重发、纠缠测量等常见的攻击,都具有很好的安全性.此外,对于现在的技术而言,该方案较易实现.     

含异质结构三波长波分复用器设计

将平行的两光子晶体单模波导邻近放置构成一个光子晶体波导耦合结构。采用时域有限差分法，研究了基于耦合与解耦合理论设计了一种含异质结构三通道波分复用器。该器件不仅具有较高的透射率，而且能够把三种不同波长的光束分开等优点，这种器件在未来的光子集成回路中具有很高的应用价值。     

表面等离子体共振型光子晶体光纤偏振滤波器性能优化设计方法

以一种常见的光子晶体光纤为载体,利用金属填充物和纤芯周围折射率环境结构的不对称性,提出了一种基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤偏振滤波器性能优化设计方法.研究发现,通过对光子晶体光纤纤芯和金属填充物周围结构的特殊设计,可有效调控周围材料的有效折射率,以实现金属等离子体模式的双折射效应和光纤纤芯模式的双折射特性.因此,当纤芯模式和金属的表面等离子体模式满足相位匹配条件时,即可达到偏振滤波的效果,并获得很好的消光比,而不需要对光子晶体光纤的结构进行复杂设计,降低了器件制备难度,避免了所设计的光纤结构无法实现实际制备的问题.     

耦合腔阵列中基于里德堡相互作用调控的量子路由（英文）

建立一个单光子路由器模型,由一个中心腔与作为量子通道的交叉耦合谐振腔波导耦合,中心腔中放置两个具有里德堡相互作用的原子.在经典光场的作用下,一个受Rydberg相互作用调节的三能级原子可被视为一个路由光子的量子发射器.两种Rydberg相互作用对透射光谱有不同的影响.两个不同频率的光子可以被路由,其中一个可通过控制里德堡相互作用和拉比频率关闭,一种频率的光子可以被转移.基于这些特性,该模型是一种实现多频率光子路由器的可行方案,可用于单光子器件的设计.