面向高速密钥分发的混沌光场量子统计特性研究

High-speed remote secure key distribution with chaotic laser has attracted intense attention in theory and experiment due to the applications of the laser to secure communication and optoeletronic information technology, but the research mainly focused on time and frequency domain of the laser. On the other hand, the quantum fluctuation, noise property and phase-space quasiprobability distribution of chaotic field have great effects on secure key rate and security. The precision of measurement has reached quantum level at present. The quantum statistical properties and phase-space distribution of the field can be exploited by means of quantum optics. The main proposal of this project is: 1) High-order degree of coherence and noise property of chaotic field are theoretically and experimentally investigated by means of single-photon detection and photon-correlation measurement with high time resolution, which permit us to characterize chaotic field in quantum statistics; 2) By constructing Wingner function of the light field, the more information from the phase-space quasiprobability distribution of the field can be acquired and the nonclassicality of the field can be extracted; 3) Indicate quantum properties of chaotic field are correlated with channel transmission rate, distance, security and explore the field for high-speed secure key distribution. The research on quantum statistical properties and phase-space information of the field not only contributes to realize profoundly the physical nature of light field, but also provides a good paltform for the implementation of secure key distribution based on chaotic field, characterization of optical source and revealing the nonclassicality of the field.

混沌激光在保密通信及光电信息技术领域具有重要的应用，利用其进行高速远程的密钥分发已引起广泛关注，但相关研究主要集中于混沌光的时域和频域等宏观特性。另一方面，混沌光场的量子涨落、噪声特性及相空间中的准概率分布直接影响着密钥传输速率和安全性。目前，对光场的测量已达到单光子水平，并且通过量子光学的方法可以获得光场量子统计特性和相空间分布等方面的信息。本项目主要研究：1)利用单光子探测和关联测量的方法获得高分辨时间下混沌光场的高阶关联和噪声特性，从量子统计分析角度去研究混沌光场；2)研究重构光场的Wigner函数，利用相空间的准概率分布全面描述光场并提取其非经典性；3)研究光场的量子特性与信道传输速率、距离、安全性之间的关系，探索高速保密性高的密钥分发方案。本项目不仅为深入认识混沌光场的本性提供了新的研究视角，还将为利用混沌光场进行密钥分发、光源检验及揭示光场非经典性等方面提供实验和理论研究基础。

高速远程的保密通信在信息安全领域有着重要作用，“一次一密”绝对安全的通信一直是人们追求目标，但实现需要两个必备条件：高速真随机密钥的产生及密钥的安全分发。混沌光通信由于其高速及与现今大容量光纤网络兼容性好等优点，已受到广泛关注。利用宽带混沌激光已产生了10Gb/s真随机密钥，进而对其熵源特性及安全性的研究就愈加迫切。同时密钥分发的速率及质量，又与混沌光场的更高阶相干度、量子涨落及噪声等量子特性直接相关，并成为另一亟待解决的问题。. 本项目围绕上述问题，进行了混沌光场量子统计特性的理论和实验研究，理论分析和实验测量了混沌光场的光子统计分布及高阶相干度，并建立了通过光子计数精确量化分析熵源的系统及方法，进而在此基础上利用高质量混沌熵源产生高速物理随机密钥，并应用协商纠错及保密增强的方法，降低密钥传输误码，初步验证了密钥传输的安全性。主要研究结果如下：.（1）理论分析并实验测量了光反馈半导体激光器产生的混沌光场的光子统计分布及不同混沌状态下的二阶相干度. 分析对比了不同状态的混沌光场的动力学特性及其二阶相干度的变化情况. 通过利用该方案可以准确测量混沌光场的量子统计特性，并与其他光场进行区分。.（2）基于光反馈产生的宽带混沌熵源实现实时高速物理随机密钥的产生。通过全光控制的方法，克服电子瓶颈对随机密钥产生速率的限制，同时利用差分比较提高产生随机密钥的质量。此外，研究了线宽增强因子等激光器参数，对生成随机数性能的影响，提取更高质量的随机密钥。.（3）利用混沌光场提取高速密钥之后，在实现高速混沌密钥分发的过程中，有效降低误码，实现通信双方之间高效信息协商。基于混沌同步密钥分发可将误码率控制在10^(-10)量级，远低于光纤通信的误码率。同时为了提高密钥的安全性防止第三方窃听，实现了对密钥的保密增强，使窃听者得到的有效信息几乎为零，进一步完善了基于混沌同步密钥分发的方案。.（4）通过全计数的量子统计方法研究辐射场的统计特性。给出了量子体系中的非马尔科夫过程的全计数统计理论方法。研究了不同体系量子相干性，给出量子噪声及高阶关联特性在整个体系动力学演化过程中的变化和影响，提供一种分析系统量子统计特性的方法。.上述研究成果为混沌光场的特性及在保密通信和精密测量中的进一步深入研究打下良好基础，并提供了一个基于光子统计量化物理随机熵源的思路，丰富现有甄别混沌光场的方法。