自由空間量子通信若干問題研究.pdf

1、量子通信是通信技術(shù)與量子物理學(xué)相融合形成的一門新興學(xué)科，它已經(jīng)成為近期和未來研究的新領(lǐng)域。量子通信可以在確保信息安全、增大信息容量以及提高檢測(cè)精度等方面突破經(jīng)典通信的物理極限，因此可以完成一些在經(jīng)典通信中不可思議的任務(wù)。
　　 量子通信的主要形式包括量子密碼、量子密集編碼和量子隱形傳態(tài)等。量子保密通信是建立在量子力學(xué)基本原理上的通信形式，它應(yīng)用了量子力學(xué)中的海森堡不確定性原理和量子態(tài)不可克隆定理，真正實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)安全的密鑰分發(fā)。量

2、子保密通信為未來信息科學(xué)的發(fā)展提供了新的原理和方法。
　　 由于量子保密通信可以實(shí)現(xiàn)無條件安全的信息交互，所以具有非常重要的戰(zhàn)略意義和巨大的應(yīng)用前景，并將在信息安全中發(fā)揮重要的作用。
　　 本文圍繞量子保密通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，對(duì)自由空間量子通信技術(shù)進(jìn)行了深入研究。主要涉及自由空間量子通信的四個(gè)方面，即自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、自由空間量子信道傳播特性、自由空間量子中繼技術(shù)和量子交換技術(shù)。主要內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下：

3、　　 1.研究了基于糾纏的量子通信系統(tǒng)的基本原理與結(jié)構(gòu)，提出了一種用于自由空間的量子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，分別使用衰減激光作為單光子源和糾纏光子對(duì)作為信號(hào)光源，可以分別研究單光子脈沖通信系統(tǒng)與糾纏光子對(duì)通信系統(tǒng)的大氣傳輸特性，并進(jìn)行了上述兩種系統(tǒng)自由空間量子通信方式的性能對(duì)比分析。這種相互比較的研究方法，利用單光子量子通信系統(tǒng)相對(duì)比較成熟的特點(diǎn)，來借鑒研究基于糾纏的量子通信系統(tǒng)的特性。其優(yōu)點(diǎn)是通過對(duì)比研究，可以較快

4、的掌握系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)，即時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)方案修正，便于有效得到相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。仿真分析了自由空間量子密鑰分發(fā)和糾纏光子對(duì)分發(fā)。提出了一種新的地空量子通信方案，它利用平流層信息平臺(tái)或同步通信衛(wèi)星進(jìn)行星地多點(diǎn)糾纏光子對(duì)分發(fā)，可以有效提高自由空間量子密鑰分發(fā)的效率。
　　 2.對(duì)自由空間量子信道的傳輸特性進(jìn)行了理論研究。分析了不同地面環(huán)境(城市、沙漠、海洋)上空大氣對(duì)光子傳播的影響。在考慮大氣衰減和退極化效應(yīng)的情況下，建立了地空路徑上極化光

5、子的傳播模型。提出了計(jì)算自由空間量子信號(hào)傳輸率與量子誤碼率的一種方法。該方法根據(jù)極化光子與自由空間信道之間的相互作用，研究大氣信道特性對(duì)極化光子傳輸?shù)挠绊憽?shù)值分析了大氣環(huán)境對(duì)地空量子通信的影響。結(jié)果表明，在晴空條件下，大氣衰減對(duì)量子誤碼率的影響較大；而在降雨條件下，退極化效應(yīng)對(duì)量子誤碼率的影響不容忽視。
　　 3.對(duì)自由空間量子中繼技術(shù)進(jìn)行了研究。提出了一種自由空間量子中繼方案，該方案使用糾纏光子對(duì)為信號(hào)源。這種量子中繼方案通

6、過糾纏制備、糾纏分發(fā)、糾纏純化和糾纏交換來實(shí)現(xiàn)中繼功能。該方案基于量子態(tài)的糾纏特性，依據(jù)糾纏量子通信系統(tǒng)的控制關(guān)系，反復(fù)進(jìn)行糾纏交換和糾纏純化，不斷延伸通信距離。數(shù)值分析了量子中繼吞吐率與量子隱形傳態(tài)成功概率和信道糾纏度之間的關(guān)系。提出了一種新的地空量子中繼通信方法，它利用地面站、平流層平臺(tái)和同步衛(wèi)星進(jìn)行量子中繼，可以有效提高量子中繼的效率。
　　 4.研究了自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)的量子交換技術(shù)，提出了一種基于糾纏光子對(duì)的量子交換

7、方案，該量子交換方案使用糾纏對(duì)為基本資源。量子交換器由交換模塊、控制模塊和輸入/輸出模塊構(gòu)成，利用糾纏分發(fā)在通信系統(tǒng)的發(fā)信者與收信者之間建立光子對(duì)的糾纏，為通信雙方提供量子信道，應(yīng)用量子隱形傳態(tài)的原理傳輸量子信息。該量子交換方案利用糾纏交換和糾纏純化，快速實(shí)現(xiàn)量子交換功能。相對(duì)于基于光開關(guān)的量子交換器而言，基于糾纏的量子交換器具有更便捷的交換功能。提出了一種新的地空量子通信網(wǎng)絡(luò)方案。它使用地面站、平流層平臺(tái)、同步衛(wèi)星作為交換節(jié)點(diǎn)，利用糾