單光子水下量子通信及其接口的理論和實驗研究.pdf

1、作為量子信息科學的重要分支,量子通信以量子態(tài)為信息載體,克服了傳統(tǒng)密碼術的安全隱患,在理論上是“絕對安全”的。近年來,在水下傳感網絡、潛艇及各種水下航行器通信需求的驅動下,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,在國內適時開展水下量子密鑰分配的研究是十分必要的,這不僅對量子通信和量子技術的發(fā)展有重要意義,而且在海洋、軍

2、事等領域有重要的應用前景。此外,構建大規(guī)模的量子通信網絡時,各種量子模塊需要通過量子接口連接以增加其可擴展性。研究動態(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容之
　　基于此,本文開展了以下三個方面的工作: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)進行水下量子密鑰分配實驗平臺的搭建與測試實驗;3)研究基于腔和量子點系統(tǒng)的量子接口問題。
　　第一項研究中,根據米散射理論和矢

3、量輻射傳輸理論,以Monte C a rlo方法作為主要手段,對偏振單光子在海水信道中的傳輸過程進行了數值模擬,從理論上分析了海水信道和系統(tǒng)硬件對水下量子密鑰分配的影響,驗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,經過編程模擬研究偏振光子的水下傳輸特性;其次,根據模擬結果,研究了海水信道中光信號的衰減規(guī)律,分析了接收孔徑和視場角對接收光子數的影響,計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)特性和光學元件的退偏性,估算光源、探測器、光學器件等對系統(tǒng)性能的影響。綜合以上研究結果表明,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進行絕對安全的水下量子密鑰分配。
　　第二項研究中,我們與中國科學技術大學合作完成了實驗平臺的建設,并進行了初步的測試實驗。研制工作包括光學系統(tǒng)、硬件電路和軟件的設計與搭建。系統(tǒng)采用最成熟、應用最廣泛的BB84協(xié)議,偏振編

5、碼方式。根據水下通信的要求,系統(tǒng)采用工作波長為450nm的L D半導體激光器。在搭建好的系統(tǒng)平臺上,我們進行了無水環(huán)境下量子通信測試實驗、偏振無關分束器退偏性實驗和水下量子通信退偏性測試實驗等,較好地驗證了我們的部分理論結果。
　　第三項研究中,首先,我們把摻有單個電子的量子點、光學微腔和光纖組成的系統(tǒng)作為研究對象,基于腔-量子點系統(tǒng)的理論模型,對單光子波包與腔-量子點系統(tǒng)相互作用的動力學過程進行了研究。數值模擬表明,利用該模型可