自由空间量子通信若干问题研究

量子通信是通信技术与量子物理学相融合形成的一门新兴学科,它已经成为近期和未来研究的新领域。量子通信可以在确保信息安全、增大信息容量以及提高检测精度等方面突破经典通信的物理极限,因此可以完成一些在经典通信中不可思议的任务。 量子通信的主要形式包括量子密码、量子密集编码和量子隐形传态等。量子保密通信是建立在量子力学基本原理上的通信形式,它应用了量子力学中的海森堡不确定性原理和量子态不可克隆定理,真正实现了绝对安全的密钥分发。量子保密通信为未来信息科学的发展提供了新的原理和方法。 由于量子保密通信可以实现无条件安全的信息交互,所以具有非常重要的战略意义和巨大的应用前景,并将在信息安全中发挥重要的作用。 本文围绕量子保密通信领域的研究热点,对自由空间量子通信技术进行了深入研究。主要涉及自由空间量子通信的四个方面,即自由空间量子通信实验系统、自由空间量子信道传播特性、自由空间量子中继技术和量子交换技术。主要内容和创新性成果如下: 1.研究了基于纠缠的量子通信系统的基本原理与结构,提出了一种用于自由空间的量子通信实验系统方案。该系统由两个子系统组成,分别使用衰减激光作为单光子源和纠缠光子对作为信号光源,可以分别研究单光子脉冲通信系统与纠缠光子对通信系统的大气传输特性,并进行了上述两种系统自由空间量子通信方式的性能对比分析。这种相互比较的研究方法,利用单光子量子通信系统相对比较成熟的特点,来借鉴研究基于纠缠的量子通信系统的特性。其优点是通过对比研究,可以较快的掌握系统的原理和特点,即时进行系统方案修正,便于有效得到相关实验数据。仿真分析了自由空间量子密钥分发和纠缠光子对分发。提出了一种新的地空量子通信方案,它利用平流层信息平台或同步通信卫星进行星地多点纠缠光子对分发,可以有效提高自由空间量子密钥分发的效率。 2.对自由空间量子信道的传输特性进行了理论研究。分析了不同地面环境(城市、沙漠、海洋)上空大气对光子传播的影响。在考虑大气衰减和退极化效应的情况下,建立了地空路径上极化光子的传播模型。提出了计算自由空间量子信号传输率与量子误码率的一种方法。该方法根据极化光子与自由空间信道之间的相互作用,研究大气信道特性对极化光子传输的影响。数值分析了大气环境对地空量子通信的影响。结果表明,在晴空条件下,大气衰减对量子误码率的影响较大;而在降雨条件下,退极化效应对量子误码率的影响不容忽视。 3.对自由空间量子中继技术进行了研究。提出了一种自由空间量子中继方案,该方案使用纠缠光子对为信号源。这种量子中继方案通过纠缠制备、纠缠分发、纠缠纯化和纠缠交换来实现中继功能。该方案基于量子态的纠缠特性,依据纠缠量子通信系统的控制关系,反复进行纠缠交换和纠缠纯化,不断延伸通信距离。数值分析了量子中继吞吐率与量子隐形传态成功概率和信道纠缠度之间的关系。提出了一种新的地空量子中继通信方法,它利用地面站、平流层平台和同步卫星进行量子中继,可以有效提高量子中继的效率。 4.研究了自由空间量子通信网络的量子交换技术,提出了一种基于纠缠光子对的量子交换方案,该量子交换方案使用纠缠对为基本资源。量子交换器由交换模块、控制模块和输入/输出模块构成,利用纠缠分发在通信系统的发信者与收信者之间建立光子对的纠缠,为通信双方提供量子信道,应用量子隐形传态的原理传输量子信息。该量子交换方案利用纠缠交换和纠缠纯化,快速实现量子交换功能。相对于基于光开关的量子交换器而言,基于纠缠的量子交换器具有更便捷的交换功能。提出了一种新的地空量子通信网络方案。它使用地面站、平流层平台、同步卫星作为交换节点,利用纠缠光子对建立地空量子信道,具有良好的地空量子通信能力。