学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

量子密钥分发系统中数字控制模块的设计

作　者: 万旭
导　师: 王坚
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 物理电子学
关键词: 量子通信 量子密钥分发 数字控制模块 FPGA USB
分类号: O413
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 93次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


量子信息是量子物理与信息科学相结合而发展起来的新学科。由于引进了量子力学,它具有经典信息所无法比拟的优势和前景,已经引起了人们的广泛兴趣。量子信息主要包括量子计算和量子通信两个领域。量子计算的研究对象是量子计算机和适用于量子计算机的量子算法。量子通信主要研究量子密码,量子隐态传输,以及解决远距离量子通信的技术。量子密码又称量子密钥分发,它利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的,安全的密钥,来加密和解密信息。在本论文中,我们关注的是量子通信领域中的量子密钥分发。自1984年Bennett和Brassard提出首个量子密钥分发协议以来,各种基于不同协议、采用不同信道的量子密钥分发实验已经完成。数十年间,各国政府、研究机构、公司投入了大量资源到量子保密通信的研究中,使其逐渐从实验室初步走向了实用化。中国科学技术大学量子物理与量子信息实验室研制的量子密钥分发系统正是走向实用化的一次尝试。在本论文的工作中,完成了量子密钥分发系统中的数字控制模块的电路设计,包括基于FPGA的控制板和同步采集延时板。控制板使用功能强大灵活的FPGA作为核心,实现各种复杂逻辑的同时能够很好的控制成本。控制板和上位机PC之间采用USB通信方式,并通过自定义的背板总线同其他电子学模块通信,完成对电子学部分的控制。同步采集延时板完成对同步光的接收甄别,和对甄别后的同步信号进行可调节的延时,提供给单光子探测器作为门控信号。板上的甄别电路可将30mV的同步信号提取出来,并对其作步长100ps的延时调节,延时范围200ns,延时后的信号相对同步光的晃动在300ps。配合数字控制模块的电路设计,还完成了控制板FPGA的逻辑设计。FPGA的逻辑设计包括发送方逻辑、接收方逻辑和USB接口逻辑三部分,整合在同一个工程中,可使用模式选择命令选择相应部分工作。在发送方,逻辑主要实现上位机PC命令的接收解析、随机数的获取、同步信号的产生、激光器和模拟电压板的控制以及数据编码的上传;在接收方,逻辑主要完成上位机PC命令接收、探测器数据获取以及数据编码上传。本论文中设计研制的数字控制模块实现了整个系统的设计需求,运行正常,已经达到了成品化、产业化的要求。日前,基于已有的商用光纤和研制的量子密钥分发系统,研究小组在合肥构建了世界上首个全通型的量子通信网络,实现了全功能运行,并将逐步往产业化的方向发展。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章 引言  9-11
第二章 量子通信与量子密钥分发  11-18
  2.1 量子力学基本原理  11-13
    2.1.1 海森堡不确定性原理  11
    2.1.2 单量子态不可克隆定理  11-13
  2.2 量子密钥分发协议和诱骗态协议  13-15
    2.2.1 BB84 协议  13-14
    2.2.2 B92 协议  14-15
    2.2.3 诱骗态协议  15
  2.3 量子密钥分发实验进展  15-18
第三章 量子密钥分发系统  18-23
  3.1 系统设计目标  18-19
  3.2 系统总体架构  19-20
  3.3 电子学设计方案  20-23
    3.3.1 电子学系统简介  20-21
    3.3.2 电子学接口  21-23
第四章 数字控制模块的电路设计  23-44
  4.1 数字控制模块简介  23-24
  4.2 FPGA  24-30
    4.2.1 FPGA 简介  25-26
    4.2.2 CYCLONE III 系列FPGA 介绍  26
    4.2.3 FPGA 芯片选型考虑  26-28
    4.2.4 芯片配置和布局  28-30
  4.3 USB  30-36
    4.3.1 USB 概述  30-31
    4.3.2 USB 芯片CY7C68013 介绍  31-33
    4.3.3 固件程序  33-36
  4.4 外部FIFO  36-38
    4.4.1 FIFO 芯片 IDT72V2111 介绍  36-38
    4.4.2 FIFO 的深度扩展  38
  4.5 甄别电路  38-39
  4.6 随机数电路  39-40
  4.7 同步采集延时板  40-44
    4.7.1 光接收和甄别电路  41-42
    4.7.2 可调延时电路  42-44
第五章 FPGA 逻辑设计  44-58
  5.1 发送方逻辑  44-52
    5.1.1 随机数模块  45-48
    5.1.2 同步脉冲产生模块  48
    5.1.3 激光器驱动和DAC 控制模块  48-49
    5.1.4 miniUART 模块  49
    5.1.5 发送方编码模块  49-50
    5.1.6 外部FIFO 控制模块  50-52
  5.2 接收方逻辑  52-54
    5.2.1 同步脉冲检出模块  52-53
    5.2.2 接收方编码模块  53
    5.2.3 探测器计数统计模块  53-54
  5.3 USB 接口逻辑  54-58
    5.3.1 USB 接口模块  55-57
    5.3.2 命令处理模块  57-58
第六章 总结  58-60
参考文献  60-62
致谢  62-63
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  63

相似论文

  1. 电子提花编织机电控系统设计,TS183
  2. 基于DSP的集成光栅细分数显装置的研制,TH822
  3. 基于FPGA的电磁超声检测系统的研究,TH878.2
  4. 基于FPGA的五相PMSM驱动控制系统的研究,TM341
  5. LXI任意波形发生器研制,TM935
  6. 基于FPGA的射频功放数字预失真器设计,TN722.75
  7. 突发OFDM系统同步与信道估计算法及FPGA实现,TN919.3
  8. 直扩系统抗多径性能分析及补偿方法研究,TN914.42
  9. 电视制导系统中视频图像压缩优化设计及实现研究,TN919.81
  10. 基于FPGA的多用户扩频码捕获研究及硬件仿真,TN914.42
  11. 基于FPGA的数字图像处理基本算法研究与实现,TP391.41
  12. 基于FPGA的高速图像预处理技术的研究,TP391.41
  13. 基于DSP的三维测头数据采集处理系统的研制,TP274.2
  14. 基于FPGA的高速数字图像采集与接口设计,TP274.2
  15. 基于FPGA的电感传感器数据采集系统的研制,TP274.2
  16. 基于Nios的串行总线分析仪研制,TP274
  17. 基于FPGA-RocketIO_X的PMC高速数据传输板开发,TP274.2
  18. PXI高性能数字I/O模块研制,TP274
  19. LXI计数器研制,TP274
  20. 基于FPGA的高速实时数据采集系统,TP274.2
  21. 动态心电监护系统及心电信号处理方法的研究,TH772.2

中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 理论物理学 > 量子论
© 2012 www.xueweilunwen.com