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(gè)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(shuō)是量子密鑰分配，采用單光子通信技術(shù)，通信雙方通過(guò)共同的量子信道和經(jīng)典信道分配密鑰。其絕對(duì)安全性由量子力學(xué)的基本原理來(lái)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(xiàng)全新的開(kāi)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)大氣光路的量子密鑰分配實(shí)

2、驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)全球任意兩點(diǎn)間保密通信，需要通過(guò)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(shí)驗(yàn)還沒(méi)有進(jìn)行。一旦衛(wèi)星量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)取得成功，人們就可以通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)最安全的全球通信，奠定絕對(duì)安全的全球天地一體化光通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用化基礎(chǔ)。本論文以衛(wèi)星光通信為背景，對(duì)自由空間量子信道的量子密鑰分配進(jìn)行理論表征，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　在理論方面，分析并完善了自由空間量子密鑰分配過(guò)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(duì)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(guò)程。針對(duì)自由空間量子信道特點(diǎn)，通過(guò)引入瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤和單光子捕獲兩個(gè)非量子過(guò)程，分析并完善了自由空間量子密鑰分配過(guò)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(jī)和接收機(jī)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?，分析了兩種單光子捕獲概率理論模型，并對(duì)兩種理論模型進(jìn)行了比較。基于厄米—高斯光束和拉蓋爾—高斯光束，分析了單光子捕獲理論模型。針對(duì)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(shí)間窗口的方法，可使得接收機(jī)以最大概率捕獲光子。
　　針對(duì)實(shí)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(guò)引入量子測(cè)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(guò)數(shù)據(jù)篩選和經(jīng)過(guò)蒸餾的量子比特率的表達(dá)式。通過(guò)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(duì)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(cè)器暗噪聲和背景光。針對(duì)低軌衛(wèi)星—地面站間鏈路，對(duì)量子比特率和量子誤碼率進(jìn)行了分析。對(duì)BS竊聽(tīng)中竊聽(tīng)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(tīng)問(wèn)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(guò)旋轉(zhuǎn)半波片實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振“零”方向的跟蹤。針對(duì)BB84協(xié)議和B92協(xié)議，給出了三組共軛基六個(gè)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(guò)調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(shí)際衛(wèi)星量子密鑰分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
　　在實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)自由空間偏振跟蹤進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)分析了白天和夜晚接收光功率。測(cè)量了白天和夜晚典型的偏振消光曲線。通過(guò)測(cè)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(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在自由空間量子密鑰分配中通過(guò)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于半波片的偏振跟蹤