皮秒半导体激光器在量子通信中的应用

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●量子密码通信原理在科幻小说《星际旅行》中，星球战士可以在某一地点突然消失，而瞬间之后却出现在遥远的另一地点。那么，现实生活中是否存在某种手段，可以把某一客体以最快捷的方式输送到遥远的另一地点呢？如果有，那是一种什么样的手段呢？量子信息学研究，正是实现这种“远程传送”幻想前的最脚踏实地的基础理论与实验研究——要想实现远程瞬间传送，必须找到相距遥远的两个客体之间的感应状态以及信息隐性传输的方式。这一研究，首先必须从微观世界的分子、原子、粒子层面做起。在微观世界里，存在着一种“量子纠缠”现象，即不论两个粒子间的距离多远，一个粒子的任何变化都会影响到另一个粒子，让另一个粒子获得“感应”，这种现象也被爱因斯坦称为“遥远地点间幽灵般的相互作用”。于是，“多粒子纠缠态的制备与操纵”成为近年来国际上量子物理与量子信息研究领域的热点。量子信息传输的远景意义还不仅在于星际旅行，它对研制功能强大的超级计算机和实现‘万无一失’的通信保密系统，也具有非常诱人的应用前景。现在的信息时代，研究量子计算机带来最大的好处就是用同样速度计算机来化解400位自然数的话，用世界最快的计算机要算100亿年，如果量子计算机研制出来只要算一分钟。所以这会给我们的信息带来新的革命。量子密码术是密码术与量子力学结合的产物，它利用了系统所具有的量子性质。首先想到将量子物理用于密码术的是美国科学家威斯纳。威斯纳于1970年提出，可利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子态，不太现实。贝内特和布拉萨德在研究中发现，单量子态虽然不好保存但可用于传输信息。1984年，贝内特和布拉萨德提出了第一个量子密码术方案，称为BB84方案，由此迎来了量子密码术的新时期。1992年，贝内特又提出一种更简单，但效率减半的方案，即B92方案。量子密码术并不用于传输密文，而是用于建立、传输密码本。根据量子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理，任何窃听者的存在都会被发现，从而保证密码本的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对安全。最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振特性，目前主流的实验方案则用光子的相位特性进行编码。目前，在量子密码术实验研究上进展最快的国家为英国、瑞士和美国、中国。英国国防研究部于1993年首先在光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子密钥分发，光纤传输长度为10公里。这项研究后来转到英国通讯实验室进行，到1995年，经多方改进，在30公里长的光纤传输中成功实现了量子密钥分发。与偏振编码相比，相位编码的好处是对光的偏振态要求不那么苛刻。在长距离的光纤传输中，光的偏振性会退化，造成误码率的增加。然而，瑞士日内瓦大学1993年基于BB84方案的偏振编码方案，在1.1公里长的光纤中传输1.3微米波长的光子，误码率仅为0.54％，并于1995年在日内瓦湖底铺设的23公里长民用光通信光缆中进行了实地表演，误码率为3.4％。1997年，他们利用法拉第镜消除了光纤中的双折射等影响因素，使得系统的稳定性和使用的方便性大大提高，被称为“即插即用”的量子密码方案。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，创造了目前光纤中量子密码通信距离的新纪录。他们采用类似英国的实验装置，通过先进的电子手段，以B92方案成功地在长达48公里的地下光缆中传送量子密钥，同时他们在自由空间里也获得了成功。1999年，瑞典和日本合作，在光纤中成功地进行了40公里的量子密码通信实验。在中国，中科院物理所于1995年以BB84方案在国内首次做了演示性实验，华东师范大学用B92方案做了实验，但也是在距离较短的自由空间里进行的。1997年，中国科大潘建伟在世界上首次成功地实现了量子态隐形传送。2000年，中科院物理所与研究生院合作，在850纳米的单模光纤中完成了1.1公里的量子密码通信演示性实验。2003年中国科大潘建伟在世界上首次成功实现了自由量子态隐形传输以及纠缠交换；首次实现了未来长程量子通讯的关键器件——纠缠态等很多理论和实践上的突破,在多光子纠缠操纵方面在国际上处于领先地位。2005年底，中国科大郭光灿等在国际上首次解决了量子密钥分配过程的稳定性问题，经由实际通信光路实现了125公里单向量子密钥分配，成为迄今国际上公开报道的最长距离的实用光纤量子密码系统。量子力学的研究进展导致了新兴交叉学科——量子信息学的诞生，为信息科学展示了美好的前景。人类在20世纪能够精确地操控航天飞机和搬动单个原子，但却未能掌握操控量子态的有效方法。在21世纪，人类应积极致力于量子技术的开发，推动科学和技术更迅速地发展。●德国PicoQuant公司皮秒半导体激光器在量子密码通信中的应用德国PicoQuant公司(http://www.picoquant.com)皮秒半导体激光器在量子密码通信中的应用论文有1.使用脉冲零拍探测的量子密码术 Quantum cryptography using pulsed homodyne detection Physical Review A, Vol.68, 042331 (2003) 作者： 日本Gakushuin大学Hirano T., Yamanaka H., Ashikaga M., Konishi T., Namiki R. 简介： 在量子密钥分发实验中，使用脉冲零拍探测技术而非光子计数技术来实现对相干光的弱脉冲探测。其中用到了PicoQuant公司1550 nm的PDL800皮秒半导体激光器。 2.量子密钥分发实验方案 Experimental demonstration of quantum secret sharing Physical Review A, Vol.63, 042301 (2001) 作者： 瑞士日内瓦大学Tittel W., Zbinden H., Gisin N. 简介： 基于能量-时间纠缠的量子密钥分发实验，只用了两个下转换纠缠光子而不使用三粒子GHZ态。其中用到了PicoQuant公司的PDL800皮秒半导体激光器。 3.使用能量-时间Bell态纠缠光子的量子密码术 Quantum cryptography using entangled photons in energy-time Bell states Physical Review Letters, Vol.84, p.4737-4740 (2000) 作者： 瑞士日内瓦大学Tittel W., Brendel J., Zbinden H., Gisin N. 简介： 实现了基于能量-时间Bell态纠缠光子对的量子密码术，表明了实验可行性。其中用到了PicoQuant公司655 nm的PDL800皮秒半导体激光器。