论文部分内容阅读
量子通信是量子物理学与信息科学的交叉学科量子信息学的重要分支之一，根据量子物理学的基本理论，其具有理论上的绝对安全性。偏振编码的自由空间量子密钥分发是量子通信中最接近于实用化的应用方式，也是构建全球保密通信网络的最佳选择。它通过在通信双方间先进行密钥的传输，然后再以“一次一密”的方式，将明文加密径后经由典信道传输，就可以实现保密通信。筛选码码率和量子比特误码率是量子密钥分发中的关键性能，其又决定于系统中的多个参数指标，而自由空间信道和光机系统对系统效率和偏振等系统参数的作用将极大地影响量子密钥分发的关键性能。 本文从理论分析入手，逐一解析大气信道的衰减效应和湍流效应、光机系统的衰减效应和偏振效应等作用，具体分析了其在量子密钥分发中对系统参数可能产生的影响，推导了其作用的数学表达式，并通过实验验证其理论和表达式的准确性；同时根据信道的作用机理和推导的表达式，分析了能够抑制信道负面作用的各种措施，也通过实验验证这些措施的可行性，并将部分抑制措施成功地应用于研究组设计的量子密钥分发系统中。 根据分析的理论和表达式，对青海湖百公里量子密钥分发试验的信道作用和关键性能进行了理论计算，得到的结果与试验中实测结果相近，进一步验证了理论和表达式的正确性。最后，还估算了星地上下行链路的信道作用和理论的关键性能，为星地量子密钥分发提供了可靠的理论基础。 本文的主要工作内容和创新点有： (1)从量子密钥分发系统参数出发推导了量子密钥分发的主要性能(筛选码码率和量子比特误码率)的数学表达式，并分解了系统参数的来源；研究发现：量子密钥分发的信道作用对性能的影响很大，尤其是大气信道的效率作用、光机系统的效率作用和偏振作用、基矢偏差的偏振作用。 (2)根据大气理论，对大气信道的透过率进行了仿真，分析和验证了大气湍流参数的测量方案，对多条湍流信道进行了标定；研究发现：由于大气层逐渐稀薄，斜程星地信道的大气透射率较高，850nm天顶角25度的斜程透射率约0.8；上海陆地夜间大气信道的湍流强度比青海陆地夜间信道要低，而由于夜间湖面的宁静度较好，青海湖面夜间大气信道湍流强度远比附近的陆地信道要低。 (3)具体分析了湍流大气信道的长期扩展效应和到达角起伏效应对量子密钥分发的系统效率作用，推导并验证了其理论模型；研究发现：湍流大气信道对系统效率存在影响，程度与传输距离和大气湍流强度有关：星地上行链路的长期扩展光斑在地表湍流强度超过弱湍流水平后增大的趋势明显加快，下行链路的光斑几乎不扩展；星地上行链路的到达角标准差通常小于1urad，而下行链路的到达角标准差处于urad量级。 (4)分析了大气湍流效应抑制的八种措施，并对部分措施进行了试验验证；研究发现：增大接收和发射口径、跟踪瞄准系统是提高效率的有效措施，也可采用多光束发射和多孔径接收弥补大口径光学设计的困难；增大量子视场和减小系统像差可以提高视场效率。 (5)分析了量子密钥分发系统的光学元件或组件的效率水平和偏振水平，推导了基于指向误差的效率表达式，提出了四种系统偏振保持的措施，并将偏振保持设计应用于系统：研究表明：现有的增透增反膜系效率很高，但结合保偏需求后膜系效率会有一定下降，现有单端系统效率约32％；采用偏振保持措施后的单端系统的偏振性能高于500:1，系统级联后偏振性能高于100:1。 (6)分析了基于量子密钥分发两端系统的基矢偏差的偏振误码概率和系统总的偏振误码概率，提出了自测量方案和基于自测量方案的旋转电控半波片基矢矫正方案；研究表明：基矢偏差将极大地影响偏振性能，自测量方案可测量该偏振，而基于自测量和半波片的补偿设计能够消除基矢偏差，以满足量子密钥分发的需求。 (7)分析了青海湖百公里量子密钥分发的信道作用和系统性能，与实际测量的结果进行了对比，估算了星地上/下行链路的信道作用和系统性能；研究表明：理论分析的结果与实际测量的结果相近，理论分析的模型和数学表达式基本准确；在常用系统参数下，星地上行链路的效率约为1.05×10-5，量子比特误码率约2.84％，下行链路的效率约为3.29×10-4，量子比特误码率约1.16％，显然下行链路比上行链路更为适合量子密钥分发。