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與量子物理學相融合形成的一門新興學科，它已經(jīng)成為近期和未來研究的新領域。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。
　　 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基本原理上的通信形式，它應用了量子力學中的海森堡不確定性原理和量子態(tài)不可克隆定理，真正實現(xiàn)了絕對安全的密鑰分發(fā)。量

2、子保密通信為未來信息科學的發(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域的研究熱點，對自由空間量子通信技術進行了深入研究。主要涉及自由空間量子通信的四個方面，即自由空間量子通信實驗系統(tǒng)、自由空間量子信道傳播特性、自由空間量子中繼技術和量子交換技術。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)的基本原理與結構，提出了一種用于自由空間的量子通信實驗系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，分別使用衰減激光作為單光子源和糾纏光子對作為信號光源，可以分別研究單光子脈沖通信系統(tǒng)與糾纏光子對通信系統(tǒng)的大氣傳輸特性，并進行了上述兩種系統(tǒng)自由空間量子通信方式的性能對比分析。這種相互比較的研究方法，利用單光子量子通信系統(tǒng)相對比較成熟的特點，來借鑒研究基于糾纏的量子通信系統(tǒng)的特性。其優(yōu)點是通過對比研究，可以較快

4、的掌握系統(tǒng)的原理和特點，即時進行系統(tǒng)方案修正，便于有效得到相關實驗數(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或同步通信衛(wèi)星進行星地多點糾纏光子對分發(fā)，可以有效提高自由空間量子密鑰分發(fā)的效率。
　　 2.對自由空間量子信道的傳輸特性進行了理論研究。分析了不同地面環(huán)境(城市、沙漠、海洋)上空大氣對光子傳播的影響。在考慮大氣衰減和退極化效應的情況下，建立了地空路徑上極化光

5、子的傳播模型。提出了計算自由空間量子信號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極化光子傳輸?shù)挠绊?。?shù)值分析了大氣環(huán)境對地空量子通信的影響。結果表明，在晴空條件下，大氣衰減對量子誤碼率的影響較大；而在降雨條件下，退極化效應對量子誤碼率的影響不容忽視。
　　 3.對自由空間量子中繼技術進行了研究。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為信號源。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)的控制關系，反復進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、平流層平臺和同步衛(wèi)星進行量子中繼，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)絡的量子交換技術，提出了一種基于糾纏光子對的量子交換

7、方案，該量子交換方案使用糾纏對為基本資源。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的糾纏，為通信雙方提供量子信道，應用量子隱形傳態(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，快速實現(xiàn)量子交換功能。相對于基于光開關的量子交換器而言，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)絡方案。它使用地面站、平流層平臺、同步衛(wèi)星作為交換節(jié)點，利用糾