Physics 版 (精华区)

发信人: mingxu (xingxing), 信区: Physics
标  题: 光量子保密通信（2）
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年10月31日21:47:13 星期三), 站内信件

2 单光子探测器

    在量子保密通信实验中，需要高量子效率、低噪音、响应时间快的单光子探测器
由于光电倍增管（PMT） 在光通信近红外波段的内量子效率太低，

而硅雪崩光电二极管（APD） 在此波
段的量子效率高、增益大。
通常APD 是应用在工作电压低于雪崩电压的情况下，理论上随其
工作电压接近雪崩电压，雪崩倍增因子M 将趋于无穷大

实际上M 在工作电压小于雪崩电压

达约为1000V 时就会饱和。因此只有在工作电压高于雪崩电压的情况下
即所谓盖革模式M
才能大到足以捕捉单光子。然而APD 在盖革模式下噪音也变得很大
因此必须降低工作温度

以减少噪音另外还必须在一个光子触发了雪崩后停止它，否则雪崩继续下去
探测器无法接

收下一个光子。因此还必须尽量缩短恢复时间，才能提高光子探测率。

在M 很大的时，即在光量子保密通信中捕获单光子须采用的APD 盖革模式下，只要pn 结里
存在一个电子空穴对雪崩就会继续存在。

若要抑制雪崩必须限制通过pn 结的电流
当电流
小于某一个阈值时由于电流随时间也有一个分布必定存在某一瞬间pn 结内没有任何电子

或空穴雪崩就会被抑制。

根据实际应用中对光子计数要求不同抑制的方式，可以采取无源抑

制和有源抑制。实验用的APD 无源抑制方式单光子探测装置示意图如下
▃


图1 APD 无源抑制单光子探测装置图


    象量子保密通信这样需要精确记录光子到达时间的情况。需要采取有源抑制的方法
精心
设计电路板，通过外围电路迅速抑制雪崩来降低恢复时间，使每秒钟捕捉的光子数提高。

我们

设计制作的有源抑制电路获得的探测器恢复时间为60~80ns 输出脉冲宽度15~20ns。 与无

源抑制方式相比，有源抑制提高了探测器的响应速度和量子效率同时减少了暗电流使用更

高性能的电子元器件会获得更好的性能参量同时改变电路结构设计也可以进一步改善功能

和特性。总之用盖革模式下的硅APD 代替庞大脆弱贵重的PMT 有明显的优势它不仅在
我们研究的量子保密通信实验中而且在量子光学光谱学光学传感器等需采用单光子探测
器
的实验中有重要应用前景

3 光量子保密通信光端机

量子保密通信需要高质量的量子密码收、发光端机这是实用化的关键。特别是把光端机
装配成即插即用的设备即将实验室试验成功的工作波长850nm 改为现有通信波长1300nm
 或者
1550nm 使能在现有通信线路上进行量子保密传输及信息安全实验。这确实是不容易
的事情。

然而从国外光量子保密通信的进展状况来看，量子保密通信不仅是可行的
而且可以在现有
通信线路上实现
这说明它的一些性能上的问题例如传输距离、码率和探测器方面的问题在
技术上都是能解决的。当前存在的问题诸如英国理论学家Hoi-Kwong Lo 所说的那样

更多的

是“心理学的、商业上的或政治上的问题”。
但是总的趋势很明显国家需要保密通信系统
而且需要控制保密通信技术。
如果我们掌握了这种技术就会对国家的安全和人民的生活起
着非常重要的作用，进而可以开辟保密通信市场。

目前这个市场尚不成熟人们对这种技术的
接受需要时间。量子保密通信技术人才的成长也需要时间长途量子保密通信和网络量子保
密
通信技术都还需要实践并发展成熟。现在报道的运行最长的量子保密通信实验线路才两年
要
等到它正式运行并证明其安全性能后才会显示出它的价值。

量子编码的发射机和接收机按国际惯例，通信双方中发送者和接受者分别取名为Alice 和

Bob 图2 示出了量子密码收发光端机结构

图2 量子密码收发光端机结构

量子密码收发光端机具体工作方式是：Bob 的光源是半导体激光器发出的光经整形后形
成的规范脉冲，该脉冲在耦合器C2 处分为两路：一路P1 直接传输给Alice 另一路P2 则经由

法拉第时延反射镜M1 M2 和相位调制组成的时延调制器后再传输到Alice。
 两路信号在耦
合器C3 处反射，Alice 通过D1 测量入射光强度并通过不等比耦合器调节光脉冲的
衰减强度使
返回的
光子流为单光子数量级。反射波未经过时延调制与经过时延调制的光在C2 处干涉
干涉的结
果
由高量子效率、低噪音、短死时间的单光子探测器DO 探测分析，
根据分析Bob 便可提取Alice

所要传送的信息我们设计的量子密码收发光端机采用法位第镜构成时延并对时延光路进

行了改进。

这种独特设计的时延相位调制器由于其中巧妙地应用了法拉第镜成功地消除了

光纤中双折射等因素的影响可以使系统的稳定性方便性大大地提高，
为即插即用提供了理

论和实验的依据。该设计方案技术成熟其主要内容涉及光纤和激光技术没有环保问题
是具有自主知识产权的技术保密性的项目。

我们希望我国是世界上继英国美国日本和瑞士之后采用即插即用量子保密通信光端机
的国家随着光量子保密通信进一步走向实用化商业化量子密钥分配的网络化即将展开
量子光通信技术进入互联网的实验成功后就可批量生产光端机将会形成巨大的保密通信
技
术产业从目前发展的势头看来可能是五年或十年时间不会很长我们只想通过我们的努
力对未来国家和国民经济发展有重大意义的量子保密通信特别是对长途量子保密通信和
网
络量子保密通信技术的实用化商业化作早期的经验和技术积累。

作者简介

周金运（1962-）， 男，副教授。1997 年在中国科学院安徽光机所获
光学专业理学博士学位
近年《SPIE》、《 光学学报》、《中国激光》《量子电子学报》等发表十余篇论文
    

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