單光子水下量子通信及其接口的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、作為量子信息科學(xué)的重要分支,量子通信以量子態(tài)為信息載體,克服了傳統(tǒng)密碼術(shù)的安全隱患,在理論上是“絕對(duì)安全”的。近年來,在水下傳感網(wǎng)絡(luò)、潛艇及各種水下航行器通信需求的驅(qū)動(dòng)下,水下無線光通信也得到了迅速發(fā)展,而水下量子密鑰分配(QKD)可為其提供絕對(duì)安全的保密手段。在光纖量子密鑰分配趨于成熟,國際上已展開水下量子密鑰分配研究的形勢下,在國內(nèi)適時(shí)開展水下量子密鑰分配的研究是十分必要的,這不僅對(duì)量子通信和量子技術(shù)的發(fā)展有重要意義,而且在海洋、軍

2、事等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。此外,構(gòu)建大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)時(shí),各種量子模塊需要通過量子接口連接以增加其可擴(kuò)展性。研究動(dòng)態(tài)的光子比特和靜態(tài)的固態(tài)比特之間的相互作用也是量子通信研究中的內(nèi)容之
　　基于此,本文開展了以下三個(gè)方面的工作:1)研究偏振光子在海水信道中的傳輸特性以及水下量子通信系統(tǒng)的硬件特性;2)進(jìn)行水下量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與測試實(shí)驗(yàn);3)研究基于腔和量子點(diǎn)系統(tǒng)的量子接口問題。
　　第一項(xiàng)研究中,根據(jù)米散射理論和矢

3、量輻射傳輸理論,以Monte C a rlo方法作為主要手段,對(duì)偏振單光子在海水信道中的傳輸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,從理論上分析了海水信道和系統(tǒng)硬件對(duì)水下量子密鑰分配的影響,驗(yàn)證了水下量子密鑰分配的可行性。首先完善并利用水下量子通信信道模型,經(jīng)過編程模擬研究偏振光子的水下傳輸特性;其次,根據(jù)模擬結(jié)果,研究了海水信道中光信號(hào)的衰減規(guī)律,分析了接收孔徑和視場角對(duì)接收光子數(shù)的影響,計(jì)算了散射光子的退偏比和保真度等,還討論了背景噪聲的影響,估算了水

4、下量子密鑰分配的誤碼率和成碼率;最后分析了量子密鑰分配硬件系統(tǒng)特性和光學(xué)元件的退偏性,估算光源、探測器、光學(xué)器件等對(duì)系統(tǒng)性能的影響。綜合以上研究結(jié)果表明,在夜晚背景光噪聲較弱的清澈大洋海水中,理論上可在百米范圍內(nèi)進(jìn)行絕對(duì)安全的水下量子密鑰分配。
　　第二項(xiàng)研究中,我們與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作完成了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè),并進(jìn)行了初步的測試實(shí)驗(yàn)。研制工作包括光學(xué)系統(tǒng)、硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)與搭建。系統(tǒng)采用最成熟、應(yīng)用最廣泛的BB84協(xié)議,偏振編

5、碼方式。根據(jù)水下通信的要求,系統(tǒng)采用工作波長為450nm的L D半導(dǎo)體激光器。在搭建好的系統(tǒng)平臺(tái)上,我們進(jìn)行了無水環(huán)境下量子通信測試實(shí)驗(yàn)、偏振無關(guān)分束器退偏性實(shí)驗(yàn)和水下量子通信退偏性測試實(shí)驗(yàn)等,較好地驗(yàn)證了我們的部分理論結(jié)果。
　　第三項(xiàng)研究中,首先,我們把摻有單個(gè)電子的量子點(diǎn)、光學(xué)微腔和光纖組成的系統(tǒng)作為研究對(duì)象,基于腔-量子點(diǎn)系統(tǒng)的理論模型,對(duì)單光子波包與腔-量子點(diǎn)系統(tǒng)相互作用的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬表明,利用該模型可