星地激光鏈路量子密鑰分配技術(shù)研究.pdf

1、衛(wèi)星光通信是衛(wèi)星通信技術(shù)的一個新的發(fā)展方向。它利用激光作為信息傳輸?shù)妮d體在衛(wèi)星—地面站和衛(wèi)星間建立光通信鏈路。量子密碼術(shù)，確切地說是量子密鑰分配，采用單光子通信技術(shù)，通信雙方通過共同的量子信道和經(jīng)典信道分配密鑰。其絕對安全性由量子力學(xué)的基本原理來保證。將量子密碼術(shù)與衛(wèi)星光通信相結(jié)合，進(jìn)行衛(wèi)星光通信中的量子密鑰分配技術(shù)研究，是一項全新的開創(chuàng)性研究工作。目前，基于自由空間量子信道的量子密鑰分配研究主要集中在地面點對點大氣光路的量子密鑰分配實

2、驗。為了實現(xiàn)全球任意兩點間保密通信，需要通過衛(wèi)星進(jìn)行量子密鑰分配。但是，衛(wèi)星—地面站、地面站—衛(wèi)星和衛(wèi)星間量子密鑰分配實驗還沒有進(jìn)行。一旦衛(wèi)星量子密鑰分配實驗取得成功，人們就可以通過衛(wèi)星實現(xiàn)最安全的全球通信，奠定絕對安全的全球天地一體化光通信網(wǎng)絡(luò)的實用化基礎(chǔ)。本論文以衛(wèi)星光通信為背景，對自由空間量子信道的量子密鑰分配進(jìn)行理論表征，同時進(jìn)行相關(guān)實驗驗證。
　　在理論方面，分析并完善了自由空間量子密鑰分配過程、單光子捕獲理論模型、量子

3、比特率理論模型和量子誤碼率理論模型，建立了偏振跟蹤理論模型。
　　對自由空間量子密碼術(shù)協(xié)議即BB84協(xié)議和B92協(xié)議進(jìn)行了理論分析。給出了BB84協(xié)議和B92協(xié)議的量子密鑰編碼原理。分析了量子密鑰分配過程。針對自由空間量子信道特點，通過引入瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤和單光子捕獲兩個非量子過程，分析并完善了自由空間量子密鑰分配過程。
　　基于光子的粒子性，給出了單光子捕獲概率的定義，它描述了發(fā)射機和接收機間的光學(xué)耦合和損耗。從麥克斯韋方程出

4、發(fā)，基于量子力學(xué)的概率詮釋，分析并完善了單光子捕獲概率理論模型?；诨８咚构馐治隽藘煞N單光子捕獲概率理論模型，并對兩種理論模型進(jìn)行了比較?；诙蛎住咚构馐屠w爾—高斯光束，分析了單光子捕獲理論模型。針對低軌衛(wèi)星—地面站間鏈路，采用高階高斯光束，單光子捕獲采用前驅(qū)波參考脈沖設(shè)置時間窗口的方法，可使得接收機以最大概率捕獲光子。
　　針對實際自由空間量子密鑰分配，采用具有泊松分布的高度衰減激光脈沖作為單光子源，通過引入量子測量

5、因子和數(shù)據(jù)篩選因子，分析并完善了量子比特率理論模型，分別給出了原始、經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選和經(jīng)過蒸餾的量子比特率的表達(dá)式。通過與理想單光子源的比較分析，給出了泊松分布單光子源的優(yōu)化方程。分析并完善了量子誤碼率理論模型，給出了量子誤碼率的表達(dá)式。對于自由空間量子密鑰分配，引起量子誤碼率的主要因素是光學(xué)元件、探測器暗噪聲和背景光。針對低軌衛(wèi)星—地面站間鏈路，對量子比特率和量子誤碼率進(jìn)行了分析。對BS竊聽中竊聽率的表達(dá)式進(jìn)行了修正，分析了低軌衛(wèi)星—地面

6、站間鏈路的BS竊聽問題。
　　建立了基于半波片的偏振跟蹤理論模型。給出了基于半波片的偏振跟蹤原理，通過旋轉(zhuǎn)半波片實現(xiàn)對偏振“零”方向的跟蹤。針對BB84協(xié)議和B92協(xié)議，給出了三組共軛基六個光子偏振態(tài)的變換關(guān)系式，分析了基于偏振跟蹤的量子密鑰編碼原理。建立了基于法拉第旋轉(zhuǎn)器的偏振跟蹤理論模型，通過調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強度實現(xiàn)對偏振“零”方向的跟蹤。
　　本論文中的單光子捕獲理論模型、量子比特率和量子誤碼率理論模型以及偏振跟蹤理論模型為

7、實現(xiàn)衛(wèi)星量子密鑰分配中的單光子捕獲技術(shù)和偏振跟蹤技術(shù)，為實際衛(wèi)星量子密鑰分配系統(tǒng)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
　　在實驗方面，對自由空間偏振跟蹤進(jìn)行了實驗研究。實驗分析了白天和夜晚接收光功率。測量了白天和夜晚典型的偏振消光曲線。通過測量偏振消光曲線，能夠進(jìn)行偏振基校準(zhǔn)和確定偏振誤差。進(jìn)行了基于半波片的自由空間偏振跟蹤實驗。該實驗證實了在自由空間量子密鑰分配中通過旋轉(zhuǎn)半波片進(jìn)行偏振跟蹤是可行的。更為重要的是，該實驗驗證了基于半波片的偏振跟蹤