为避免数模转换器（DAC）在高速率、高分辨率方面的性能限制对量子噪声随机加密系统（QNRC）的影响，同时也为了降低系统的成本，本文提出了一种采用低位DAC级联调制、光域解密、直接检测的灵活多进制解密系统方案，并利用商用仿真软件VPI Transmission Maker Optical System 9.1（VPI9.1）对所提方案的可行性进行验证，得到了介观相干态功率为-20 dBm、传输距离为100 km、传输速率为10 Gb/s、密文态数目最高可达216-1的QNRC系统的仿真结果。结果表明：低位DAC级联的方式不仅可以大大提高密文态数目，确保最优的系统传输性能，还可以灵活适配多进制传输系统。此外，所提系统方案避免了数模转换器在高速率、高分辨率方面对QNRC系统的影响，同时还显著降低了高位传输系统的成本，为实现QNRC系统的国产化提供了一种解决方案。

高采样速率、高分辨率数/模转换器(DAC)是量子噪声随机加密(QNRC)系统性能提升的核心器件之一, 一直制约着QNRC系统技术发展。为了探究不同的DAC采样速率和分辨率对QNRC系统性能的影响, 采用VPItransmission Maker Optical System 9.1软件进行系统仿真设计.首先, 搭建了介观态功率为-21 dBm、传输距离为1000 km、传输速率为10 Gb/s和密文态数目为28-1的基于相移键控的QNRC系统; 然后, 改变DAC的采样速率、分辨率, 对QNRC系统的性能进行对比分析。分析结果表明: 当DAC的采样速率、分辨率分别为30 Gb/s、6 bit时, QNRC系统的性价比最佳。

针对光网络安全防护问题, 从物理层安全性评估、实验验证2个层面深入研究量子噪声随机加密(QNRC)物理层抗截获传输技术。首先, 介绍了国内外QNRC的发展现状, 凝练了一套物理层安全性评估通用方法。然后, 提出一种基于光域解密的强度移位键控-量子噪声随机加密(ISK-QNRC)实验方案, 针对该方案中高分辨率、高采样速率的数/模转换器制造工艺问题, 提出一种并联ISK-QNRC方案并进行了验证, 结果表明该方案信息传输安全、有效。最后, 分析了QNRC技术的典型应用场景及发展趋势。

量子噪声随机加密(QNRC) 是一种基于海森堡不确定性原理的物理层加密技术, 其能够适用于高速率、大容量以及长距离的光纤通信网络。针对 QNRC 系统中多进制 Y-00 密文信号的调制及解调受限于高采样速率、高转换深度的 ADC 芯片的问题, 提出了一种利用多个串联相位调制器(PM) 进行 Y-00 密文信号的调制及解调的实现方法, 并利用 VPItransmission Maker Optical Systems 仿真软件对该实现方案进行了仿真验证及性能分析。仿真结果表明: 基于多个 PM 串联的方式, 实现了密文态数目为 126、数据速率为 10 Gbit/s 以及 1000 km 光纤放大链路传输的相移键控-量子噪声随机加密(PSK-QNRC) 系统; 降低密文量子态的介观功率有利于提高 QNRC 系统的安全性水平, 但同时会损害系统的传输性能, 因此选择合适的介观功率对于优化系统的安全性和可靠性具有重要意义。

量子噪声随机加密 (QNRC) 是一种新兴的提高光纤传输安全性的物理层加密方案。基于窃听信道模型, 以合法信道容量和信息截获概率为基本指标, 对相移键控 (PSK) QNRC 系统的传输性能和安全性能进行定量评估, 并分析了介观态功率、进制数以及量子噪声掩盖的量子态数对系统性能的影响。仿真结果表明: 为了提高系统的传输性能和安全性能, 发送端需采用光放大器; 在保证系统传输性能的同时, 可适当减小介观态功率来提高系统的安全性; 较高的进制数可有效地提高 PSK-QNRC 系统的安全性, 且不影响其传输性能; 系统数据安全性主要受限于量子噪声掩盖的量子态数。

利用外腔反馈的半导体激光器产生的混沌激光作为熵源,理论模拟和实验研究了不同强度和带宽的量子噪声注入对混沌激光熵含量的增强效果,利用反馈时延τ_ext、τ_ext/2和τ_ext/3处的排列熵均值,量化了混沌激光的复杂度,并利用不同维度排列熵增,判别了混沌噪声的主导过程。实验上通过平衡零拍探测系统制备了量子散粒噪声,测量了100,300,500 MHz不同量子噪声带宽注入下混沌激光熵增随量子噪声强度的变化。结果表明,窄带量子噪声可有效提高宽带混沌激光的熵含量,强度为15 dBm、带宽为100 MHz的量子噪声将3.8 GHz带宽的混沌激光熵值增至0.998,随着量子噪声强度的增大,混沌激光的熵含量增至最大时的量子噪声带宽降低,并获得噪声主导的混沌激光熵源。

为解决高速、高分辨率数模转换器(DAC)给量子噪声随机加密(QNRC)研究带来的限制问题,提出一种采用并联强度调制、光域解密、直接检测的方案,利用VPI系统对此进行验证与分析讨论,并实现了介观态功率为-20 dBm、传输距离为500 km、传输速率为10 Gbit/s、密文态数目为2 ¹⁰-1的ISK-QNRC系统。研究结果表明,通过调制器并联的方式,可以有效增大QNRC密文态数目。该方案的误码性能对于接收功率以及密文信号与解密信号的功率差比较敏感,在固定接收功率的情况下,做好密文信号与解密信号的功率匹配对于降低误码率十分重要。

量子非定域性是量子信息处理的重要资源。最近, I3322 不等式作为判别量子非定域性的标准引起了广泛关注。考虑实际检验过程中的非理想因素, 利用 MATLAB 数值仿真方法, 详细研究了单一纠缠态、混合纠缠态以及噪声信道等对该不等式量子违背的影响。研究发现对单一纠缠态, 当纠缠度大到一定程度, 不等式才能被违背; 对混合纠缠态, 在较大参数范围内, 不等式也能被违背; 得到 两 Kraus 算子表示的信道影响下不等式违背与不违背在噪声参数空间的相图。这些结果对基于 I3322 不等式的量子信息处理技术的应用有一定理论意义。

针对光网络物理层安全通信问题，提出了基于低密度奇偶校验(LDPC)码的相干通信量子噪声流加密(QNSC)系统方案，将码率为9/10的LDPC码和离散傅里叶变换正交频分复用(DFT-OFDM)技术应用在系统方案中，最后对该方案进行了实验验证。实验结果表明：经过传输跨距为40 km、80 km、120 km和160 km的标准单模光纤后，LDPC码有效地降低了系统误码率，改善了系统通信的安全性，同时不会对系统的基本性能造成影响。