全芯片量子通信终端的实验研究

论文摘要

量子通信,具有极高的安全性,是未来通信网络的关键要素。目前,基于宏观光学器件构建的光量子系统无法进行有效扩展,而光量子集成芯片在操纵量子系统的尺度和复杂度等方面展现出高可靠性及实用性,故而其在量子通信中扮演着重要的角色。国际上已有多个实验组投入数年时间进行研究,积累了宝贵的实验成果。然而作为一个新兴领域,光量子集成芯片仍处于快速发展中,有许多细节问题有待解决,如克服损耗、稳定性、物理可扩展性和载荷等问题。因此,开展全芯片量子通信终端的实验研究显得尤为重要。本课题的研究目标为制备为量子通信服务的终端芯片,以实现对宏观光学元件方案的集成化与可实用化。具体来讲,本文将使用飞秒激光微纳加工平台制备光量子集成芯片的各个器件,搭建测试平台以对具有特定功能的光量子集成芯片进行对光、检光以及如插入损耗、传输模式、双折射等的各项分析,并将制备完毕的光量子集成芯片接入量子通信网络进行可行性分析与反馈,最终实现全芯片的量子通信终端。本文的主要工作包括以下内容:一、基本集成光量子器件的制备。基于飞秒激光直写技术,本文实现片上单模波导以及波导型极化分束器的制备,并研发设计出新型的可实现任意角度正交投影的极化分束器、相位延迟器以及极化无关的宽带波导分束器。二、基于BB84协议的量子密钥分发接收端芯片。本文首次将新型的极化无关宽带波导分束器以及带特定角度正交投影的极化分束器以高精度、相位稳定的方式在同一个芯片上串联起来,并实现了对BB84协议中4种偏振态的投影测量,这对于点对点的量子通信客户端具有重要意义和实用价值。三、基于量子密钥分发网络的量子服务器芯片。本文首次提出并实现了可接入星型测量设备无关量子密钥分发网络的量子服务器芯片。本文设计并研发了可集成成百上千个高性能贝尔态分析仪的光量子集成芯片。通过测量设备无关的量子密钥分发演示实验,本文实现了正交基矢和斜对角基矢1.37×10-6bits/pulse和1.75×10-6bits/pulse的成码率,以及0.058和0.081的量子比特误码率,有效证明了量子服务器的可行性,为推动量子互联网的大规模使用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
• 第二章 实验背景与基本概念
•   2.1 量子信息基础
•     2.1.1 量子比特
•     2.1.2 量子纠缠
•     2.1.3 投影测量
•     2.1.4 量子通信
•   2.2 波导耦合基础
•     2.2.1 模式耦合理论
•     2.2.2 光波导耦合的微扰
• 第三章 基本光量子器件
•   3.1 光波导
•     3.1.1 损耗
•     3.1.2 导波模式
•     3.1.3 双折射
•   3.2 波导型极化分束器
•     3.2.1 实现方案
•     3.2.2 功能表征
•   3.3 可实现任意角度正交投影的极化分束器
•     3.3.1 实现方案
•     3.3.2 功能表征
•   3.4 相位延迟器
•     3.4.1 实现方案
•     3.4.2 功能表征
•   3.5 极化无关的宽带波导分束器
•     3.5.1 实现方案
•     3.5.2 功能表征
• 第四章 全芯片量子通信终端
•   4.1 基于BB84 协议的量子密钥分发接收端
•     4.1.1 实验方案
•     4.1.2 设计与制备
•     4.1.3 功能表征
•     4.1.4 结果讨论及展望
•   4.2 基于量子密钥分发网络的量子服务器
•     4.2.1 实验方案
•     4.2.2 设计与制备
•     4.2.3 功能表征
•     4.2.4 结果讨论及展望
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间申请的专利

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王辞迂

导师: 金贤敏

关键词: 量子通信,集成光子学,飞秒激光直写

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 上海交通大学

分类号: O413;TN918

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.002843

总页数: 75

文件大小: 9190K

下载量: 68