自由空間量子通信中偏振光子傳輸和操控的理論與模擬研究.pdf

1、傳統(tǒng)密碼技術(shù)是建立在數(shù)學(xué)算法復(fù)雜度基礎(chǔ)上的,隨著量子計算機的發(fā)展,傳統(tǒng)密碼在原理上都可以被破譯,通信安全隱患十分突出。基于量子力學(xué)基本原理的量子密碼在原理上是“無法破譯”、“絕對安全”的,故而量子密碼可以實現(xiàn)真正意義上的保密通信,是國家安全和未來信息技術(shù)發(fā)展的重要研究領(lǐng)域。由于自由空間量子密鑰傳輸對將來利用衛(wèi)星進行量子密鑰分配并進而建立全球量子保密通信網(wǎng)具有重大意義,所以在自由空間進行量子密鑰分配引起了人們的廣泛關(guān)注和深入研究。本論文研

2、究自由空間量子通信的相關(guān)理論問題,建立光子大氣傳輸?shù)倪m當?shù)睦碚撃Ｐ?分析光子偏振態(tài)如何受大氣散射的影響,提出偏振光子糾纏濃縮的實現(xiàn)方案。本論文的完成將為自由空間量子通信的實施提供必要的理論支持和有價值的技術(shù)方案,這對于最終實現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通信具有一定的理論意義和實用價值。論文主要研究成果有:從Maxwell方程出發(fā)比較分析了Rayleigh近似與Mie散射的散射振幅與散射截面,得到當散射粒子的尺度參數(shù)較小時,Rayleigh散射與

3、Mie散射符合的很好,可用Rayleigh散射代替Mie散射。同時比較分析了Born近似和Mie散射的散射振幅與散射截面,計算表明相對折射率在[1.01,1.09]之間的散射粒子,其尺度參數(shù)滿足特定條件時可用Born散射代替Mie散射。這樣,在滿足條件的散射理論計算中,可避免繁瑣的無窮級數(shù)計算。針對自由空間量子通信,給出了前向直向散射的簡化處理方案,推導(dǎo)了偏振光子Mie散射前向有效Mueller矩陣及各矩陣元之間的關(guān)系。用矢量Monte

4、 Carlo方法模擬均勻大氣中偏振光子的多次散射過程,得到表征大氣信道特征的Mueller矩陣模擬圖,并以此分析討論了氣溶膠粒子尺度對光子偏振態(tài)的影響。當粒子尺度較小時,光子的退偏效應(yīng)很明顯,光子偏振度對粒子尺度的變化非常敏感;當粒子尺度較大時,光子的偏振度較大,退偏效應(yīng)弱,偏振度對粒子尺度的變化不敏感。利用偏振光子的多次散射模型和經(jīng)過改進的多層大氣散射模型,研究了量子通信中光子與大氣的相互作用過程,分析了單光子密鑰分配過程中大氣散射對

5、偏振態(tài)的影響。結(jié)果表明,光子上行時偏振態(tài)保持的效果明顯比下行時要好;光子在傳輸相同距離的情況下,高海拔位置比低海拔位置偏振態(tài)的變化幅度要小。針對偏振糾纏光子在量子通信中由于偏振態(tài)變化而引起的糾纏度下降問題,提出了一種線性光學(xué)系統(tǒng)的理論方案,通信雙方利用該系統(tǒng)可以確定性地從兩對部分糾纏光子中提取出一對最大糾纏光子。這套裝置借助于將兩光子偏振態(tài)分別隱形傳送到第三個光子的路徑和偏振態(tài)上,通過實現(xiàn)單光子偏振態(tài)和路徑態(tài)的操作,來完成兩光子偏振態(tài)的