（光学工程专业论文）空间量子通信中单光子捕获技术研究.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕士论文 空间量子通信中单光子捕获技术研究 摘要 自从第一个量子通信实验完成之后，量子通信的实验研究逐渐发展起来并 同趋成熟，目前主要工作是寻求量子通信与实际应用的结合。卫星量子密钥分 配已经成为一项全新的开创性研究工作。为了实现卫星量子通信，首先需要采 用卫星光通信中的瞄准、捕获和跟踪技术以建立链路，以捕获单光子。一旦卫 星量子通信实验取得成功，人们就可以通过卫星实现最安全的全球通信，奠定 绝对安全的全球天地一体化光通信网络的实用化基础。 对目前流行的加密技术中的b b 8 4 、e 9 1 、b 9 2 量子通信协议进行简单介绍， 并进行仿真分析得出5 0 0 组随机生成密钥的平均值和方差。从麦克斯韦方程出 发，基于量子力学的概率诠释，分析并完善了单光子捕获概率理论模型。基于 t e m 。，模拉盖尔一高斯光束和t e m ，。厄米一高斯光束，分析了单光子捕获理论模 型，得到两种高斯光束的单光子捕获概率均一般在1 0 1 0 4 量级。 针对低轨卫星一地面站间链路，采用高阶高斯光束，单光子捕获采用前驱 波参考脉冲设置时间窗口的方法，可使得接收机以最大概率捕获光子。 基于b b 8 4 协议，建立低轨卫星一地面站间量子通信系统模型。对单光子捕 获概率、量子比特率和量子误码率进行了数值计算分析。结果表明，在低轨卫 星一地面站间进行量子通信是可行的。 本论文的研究工作为实现卫星量子通信中的关键技术，为实际卫星量子通 信系统设计提供了理论基础。 关键词量子通信；单光子捕获；自由空间；卫星 哈尔滨理工人学工学硕士论文 r e s e a r c ho ns i n g l e - p h o t o n ，。一 qu l s l t l o n1e c l m l c a li n s p a c eq u a n t u m c o m m u n i c a t i o n a b s tr a c t s i n c et h ef i r s t e x p e r i m e n t a lq u a n t u m c o m m u n i c a t i o ni s c o m p l e t e d ，t h e e x p e r i m e n t a ls t u d yo fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ng r a d u a l l yd e v e l o p e da n db e c o m e d m o r e s o p h i s t i c a t e d ，t h ec u r r e n tm a i nj o bi st os e e kt h ec o m b i n a t i o nb e t w e e np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n sa n dq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n s a t e l l i t eq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n ( q k d ) i se x t r e m e l yi n n o v a t i v e s a t e l l i t ei no r d e rt oa c h i e v eq k d f i r s to fa l lr e q u i r et h eu s e o fs a t e l l i t eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni nt h et a r g e t ，c a p t u r ea n dt r a c k i n gt e c h n o l o g i e st o s e t u pl i n k s i no r d e rt o c a p t u r es i n g l e p h o t o n o n c e t h es a t e l l i t eq k di s d e m o n s t r a t e d ，t h eg l o b a ls e c u r es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nc a l lb ei m p l e m e n t e da n dt h e a p p l i e df o u n d a t i o no ft h eg l o b a ls e c u r ei n c o r p o r a t eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s c a l lb ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h ep o p u l a re n c r y p t i o nt e c h n o l o g yi nt h eb b 8 4 ，e 9 1 ，b 9 2q u a n t u m p r o t o c o l f o rab r i e fi n t r o d u c t i o n ，a n ds i m u l a t i o na n a l y s i st h a t5 0 0r a n d o m l y g e n e r a t e dk e y sm e a na n dv a r i a n c ea n du s et h e s ep o i n t sf o rs o f t w a r ed i s t r i b u t i o n m a p p i n g f u l l yp r o v e dt h ef e a s i b i l i t y o ft h ea b o v ea g r e e m e n t ，a n df i n a l l yt h e e x p e c t e dr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h ep r o b a b i l i t ya n n o t a t i o no fq u a n t u mm e c h a n i c s ，t h e t h e o r e t i c a lm o d e lo ft h es i n g l e - p h o t o na c q u i s i t i o np r o b a b i l i t yi s a n a l y z e d a n d p e r f e c t e db a s e do nm a x w e l le q u a t i o n b a s e do nt h et e m o ll a g u e r r e - g a u s s s i a n b e a m sa n d t e m 2 0 h e r m i t e g a u s s i a nb e a m s ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo f s i n g l e p h o t o na c q u i s i t i o ni sa n a l y z e d t h es i n g l e p h o t o na c q u i s i t i o ni sa n a l y z e df o r t h el a s e r l i n k sb e t w e e nag r o u n ds t a t i o na n das a t e l l i t ei nal o we a r t ho r b i t t oa c q u i r e t h e s i n g l e p h o t o n ，ab r i g h tp r e c u r s o r r e f e r e n c ep u l s ew h i c hc a r r i e sn o k e y i n f o r m a t i o nc a nb eu s e dt o s e tas h o r tt i m ew i n d o ww i t h i nw h i c ht o1 0 0 kf o rt h e s i n g l e p h o t o n t h es i n g l e - p h o t o nc a nb ea c q u i r e db yt h er e c e i v e ra t t h em a x i m u m p r o b a b i l i t yw h e nt h eh e r m i t e g a u s s i a nb e a m sa n dt h el a g u e r r e - g a u s s i a nb e a m sa r e u s e d t h es i n g l e - p h o t o nc a p t u r ep r o b a b i l i t i e sa r ei ng e n e r a lo r d e ro fm a g n i t u d ea t 10 2 10 4o ft w og a u s s i a nb e a m s i i b a s e do nt h eb b 8 4p r o t o c o l ，s e tu pl o w o r b i ts a t e l l i t e 。g r o u n ds t a t i o nb e 觚e e n t h eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d e l t h r o u g ht h ec a p t u r eo fs i n g l e 。p h o t o n p r o b a b i l i t y ，q u a n t u mb i t r a t ea n dq u a n t u m b i te r r o rr a t e sn u m e r i c a l l yc a l c u l a t i n ga n d a n a l y z i n g w ec a nk n o wt h a tt h ec o m m u n i c a t i o ni s f e a s i b l eb e t w e e nt h el o w o r b l t s a t e l l i t e sa n dg r o u n ds t m i o n s t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e r i st h ek e yt e c h n o l o g yf o rt h er e a l i z a t i o n0 t s a t e l l i t eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n ，p r o v i d e sat h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lf o u n d a t l o n f o rt h ea c t u a ls a t e l l i t eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g n k e y w o r d sq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n ，s i n g l e - p h o t o nc a p t u r e ，f r e e 。s p a c e ，s a t l l i t e i i l 哙躯滨理工太堂硕士邕位论文厦创性窟明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文空间量子通信中单光子捕获技术 研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写 过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注 明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：磔役日期：钞听年弓月为日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 空间量子通信中单光子捕获技术研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学 关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本， 允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：锻 刷磴轹压 日期：叫年) 月仍同 日期：御年岁月伊日 哈尔滨理工大学工学硕上论文 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 在现代社会中，由于信息产业的快速发展，对信息传递的安全性要求越来 越高，从而促使人类不断地寻找新的保密通信技术。而对于卫星光通信来说， 传输信息的保密性要求就更高，对这类技术的需求也就更迫切。卫星光通信是 卫星通信技术的一个新的发展方向。它利用激光作为信息传输的载体在卫星一 地面站和卫星间建立光通信链路。为了实现绝对安全的卫星光通信，有必要采 用量子密码术。只有量子密码术能够抵挡量子计算机的攻击【1 1 。量子密码术 ( q u a n t u mc r y p t o g r a p h y ，q c ) ，更确切地说是量子密钥分配( q u a n t u mk e y d i s t r i b u t i o n ，q k d ) ，采用单光子通信技术，通信双方发射机( m i c e ) 和接收机( b o b ) 通过共同的量子信道( 如光纤或自由空间等) 和经典信道( 如以太网或电话线等) 建立、传输密钥。根据量子力学的测不准原理和量子不可克隆原理，任何窃听 者( e v e ) 的存在都会被发现，从而保证密钥的绝对安全，也就保证了加密信息的 绝对安全。这里，所谓绝对安全性是指窃听者智商极高，采用最高明的窃听策 略，使用一切可能的先进仪器，在这些条件下，密钥仍然是安全的【2 i 。窃听者的 基本策略有两类：一是通过对载有信息的量子态进行测量，从测量结果来获取 所需信息。根据量子力学的测不准原理，对量子态的测量会干扰量子态的本身。 所以，这种窃听方式必然会留下痕迹而被合法用户发现。二是采用量子拷贝机 ( 对量子态进行复制) 来拷贝载有信息的量子态，窃听者将原量子态传送给接收 者，而留下拷贝的量子态进行测量以窃取信息。但是，量子不可克隆原理保证 窃听者不会成功，任何物理上可行的量子拷贝机都不可能克隆出与输入量子态 完全一样的量子态。因此，量子密码术原则上可以提供绝对安全的密码通信系 统。将量子密码术与卫星光通信相结合，进行卫星光通信中的量子密钥分配技 术研究，是一项全新的丌创性研究工作。目前，基于自由空问量子信道的量子 密钥分配研究主要集中在地面点对点大气光路的量子密钥分配实验及相关单元 技术研列3 j3 1 。为了实现全球任意两点问保密通信，需要通过卫星进行量子密钥 分配【1 4 t “】。但是，卫星一地面站、地面站一卫星和卫星间量子密钥分配实验还 没有进行。现在，关于卫星量子密钥分配的研究主要集中在低轨卫星一地面站 问量子密钥分配的可行性分析 1 6 - i s j 。一旦卫星量子密钥分配实验取得成功，人们 鉴彗；茎；型；茎! 茎些：耋圣 就可以通过卫星实现最安全的全球通信，奠定绝对安全的全球天地一体化光通 信网络的实用化基础。在现代战争中，信息战处于重要的战略地位，进行保密 通信则享有特殊的重要性。如何安全地传递军事信息，避免敌方的窃听，关系 到一场战争的胜败。将卫星量子密码技术应用于现代军事领域，将成为战争中 传递绝对安全可靠信息的有力保障。现代战争复杂多变，偶然性强，卫星光通 信在战争中具有重要而特殊的优势。因此，对卫星光通信量子密钥分配技术进 行研究具有非常重要的意义。利用量子密码术对通信进行加密，说明人们已经 摆脱了经典思想的束缚，其物理思想和物理概念产生了质的飞跃，真正进入量 子技术发展的时代要的科学意义。本论文研究工作来自于黑龙江省自然科学基 金项目( f 2 0 0 8 3 1 ) 一自由空间量子纠缠分配关键技术研究。 1 2 自由空间量子通信的研究现状 量子密码学是当代密码理论研究的一个新领域，近年来在密码理论研究中 逐渐热门起来。量子密码学的思想最早是由二十世纪6 0 年代术美国人s t e p h e n w i e s n e r 在- - 份手稿中首先提出的呻i ，后来美国m m 公司t h o m a sj w a s t o n 研究中 心的c h a r l e s h b e n n e t t 与加拿大蒙特利尔大学的g i l l e s b r a s s a r d 受其思想影响在 1 9 8 2 年美洲密码学会上发表了第一篇论文，1 9 8 4 年提出了量子密码协议，现在 被通称为b b 8 4 协议，并于1 9 8 9 年制作了一台原型样机。1 9 9 8 年，意大利的 b r a s s 提出了六态协议mj 。在这些协议基础上，各个国家的科研人员又提出了不 少其它协议，但大都在现有实验条件下很难实现。 1 9 8 9 年，b e n n e t t 等人完成了第一个自由空间量子密钥分配演示性实验j ， 实验装置如图1 - 1 所示。 目1 - l 第一个自由空间q k d 实验 f i g1 - 1t h e f i r s tf r e e s p a e eo l ( de x p e r i m e n t 哈尔滨理工大学工学硕上论文 该实验基于b b 8 4 协议，采用光子偏振态编码。实验中，光子在自由空间只传播 了3 2 c m ，误码率为4 ，比特率也很低( 1 0 分钟传送了1 0 5 比特) ，但窃听者能截 获的比特数只有6 1 0 。7 1 ，这说明安全程度非常高，足以显示量子密钥分配的潜 力和诱人前景。 1 2 1 国外研究现状 1 9 9 4 年，美国l o sa l a m o s 国家实验室( l a n l ) 的两位研究人员h u g h e s 和 n o r d h o l t 开始采用单光子通信技术进行自由空间量子密钥分配研究，目的是为 卫星通信提供长期的高度安全保证。他们首先进行了自由空间室内光路2 0 5 m 的量子密钥分配实验。随后，他们采用b 9 2 协议，进行了夜晚条件下室外光路 9 5 0 m 和白天室外光路5 0 0 m 的量子密钥分配实验，误码率分别为1 5 和 1 6 t 2 3 1 。1 9 9 6 年，美国j o h n sh o p k i n s 大学的j a c o b s 等人采用b b 8 4 协议，用 h e n e 激光器和电光调制器产生光脉冲，成功地在白天室外条件下传输单光子， 自由空间光程为7 5 m ，误码率为2 ，比特率为1 k h z t 2 4 1 。随后，他们利用法拉 第镜抑制了光纤中的双折射等影响传输距离的一些主要因素，提出了“即插即 用”的量子密钥方案。2 0 0 2 年，他们进行了白天和夜晚大气光路1 0 k m 的自由 空间量子密钥分配实验c 2 5 1 。该实验采用b b 8 4 协议，发射机脉冲重复率为1 m h z ， 密钥率约为6 0 0 h z 。发射机a l i c e 位于l o sa l a m o s 的p a j a r i t o 山，海拔2 7 6 0 m ； 接收机b o b 位于l o s a l a m o s 国家实验室附近，海拔2 1 5 3m 。实验原理如图1 2 所示。 图1 - 2 白由空间1 0 k m q k d 实验原理 f i g 1 - 2t h ep r i n c i p l eo ft h ef r e e s p a c el o k mq k de x p e r i m e n t 2 0 0 2 年，德 l u d w i g m a x i m i l i a n 大学、m a x - p l a n c k 量子光学学院和英国 的q i n e t i q 合作进行了夜晚室p b 2 3 4 k m 的自由空间量子密钥分配实验f 2 6 1 。该实验 耋! i 篓矍三尘茎三茎些：耋蚤 采用b b 8 4 协议，发射机脉冲重复率为1 0 m h z ，光损耗约为1 8 d b 。该实验结果由 表1 1 给出。实验装置及原理如图l 一3 。 表1 - 1 自由空间2 3 4 k m 0 k d 实验结果 t a b l e l - 1r e s u l t s f r o m f r e e - s p a c e2 3 4 k m 0 k d e x p e r i m e n t n i g h t n u m b e r o fu n s i f t e d b a c k g r o u n d0 u r l l t a m f i n a ln e tt o t a lk e y p h o t o n sp e r b i t s s b i tc n o r k e y n ” e x c h a n g e d b i t ( + - l o ) b i b sn k b i t s sb i t s s 1 6 0 1 03 74 4 8 4 6 2 6 8 4 1 1 6 2 69 3 9 5 1 6 0 1 0 2 72 5 0 55 5 0 45 2 4 3 9 6 4 3 4 1 1 6 册1n 1 82 6 5 l5 5 7 84 j 43 6 35 4 4 8 1 7 0 1 0 0 9 62 6 ” 4 5 1 64 7 73 6 75 3 9 9 麓趱：震 豳二固 f = = ：= t 翮i 已熏9 酱i 。，l 。，。鼋! 一! 肾竺竺j l 图1 - 3 自由空间2 3 4 1 a no k d 实验 f i g 1 - 3 t h e f r e e - s p a c e2 34 k m q k d e x p e r i m e n t 2 0 0 1 年，英国的o i n e t i o 进行了夜晚室外1 _ 9 k m 的自由空间量子密钥分配实 验p l 。该实验采用b b 8 4 协议，发射机脉冲重复率为1 0 m h z ，光损耗大于2 0 d b 。 2 0 0 6 年，德国的l u d w i g - m a x i m i l i a n 大学和m a x p l a n c k 量子光学学院进行 了夜晚城市链路4 8 0 m 的自由空间量子密钥分配实验脚i 。浚实验采用b b 8 4 协议， 发射机脉冲重复率为1 0 m h z 。单光子源采用平均光子数为0 1 的高度衰减激光 脉冲，经过筛选的平均密钥率大于5 0 k b i t s ，量子误码率为3 5 。该实验系 统可以连续工作1 2 个小时以上，实验目的是建立一种稳定的城市链路量子密钥 分配系统。实验结果如表1 - 2 所示 表1 - 2 自由窄问4 8 0 m 0 k d 实验结果 s i f t e dk e yr a t e s t a r tt i m e s t o pt i m e t o t a lt i m e k e “m b ) o b e ( ) a v g ( k b i f f s ) 1 8 ：2 20 8 ：0 01 4 ：3 83 5 45 6 4 22 8 1 8 ：1 90 7 ：0 01 2 ：4 22 5 04 4 8 045 1 8 ：5 90 7 ：0 01 2 ：0 13 3 16 2 6 632 1 7 ：0 30 7 ：0 01 3 ：5 82 0 63 35 73 6 2 1 ：1 00 7 ：0 00 9 ：5 09 62 2 2 23 1 2 1 ：3 70 7 ：0 00 9 ：2 33 99 4 643 1 8 ：1 1 0 7 ：0 0 1 2 ：4 91 4 92 6 4 4 5 0 2 0 0 3 年m a r k u sa s p e l m e y e r 等人进行了自由空间量子纠缠分配实验p 1 。两 个接收机a l i c e 和b o b 分别位于维也纳多瑙河两端的两个建筑物的顶部，相距 约为6 0 0 m 。实验装置如图1 - 4 所示。 阿1 4 实骑装置幽 f i g1 - 4 t h ep d n c i p l eo f t h ee x p e r i m e n t 陔实验在夜晚进行，环境温度接近0 。c ，风力达5 0k m h 。两个接收机与纠 缠光源间距离分j 5 f 为1 5 0 m 和5 0 0 m 。出于树和电线的阻挡，两个接收机4 i 呵见。 偏振纠缠光源采用类型i i 参量下转换f s p d c ) ，由波长4 0 5 n m 激光二极管泵浦产 生8 1 0 n m 光子对，泵浦功率为1 8 m w 。在耦合到发射望远镜前，0 。9 0 。基的偏 扳关联可见度大于9 7 ，4 5 1 3 5 。基的偏振关联可见度大于9 4 。每个路衰减约 为1 2 d 剐6 透过率) 。s p d c 源可表示为 t l j 一) = 去( 1 h ) _ 忱- v ) i ) 口) 偏振关联系数为 e ( c a 删= 等等等 通常，( 九，九) = 1 2 s i n 2 ( c a 一九) 。偏振关联实验数据如图1 - 5 所示。 保真度为f = ( 1 l r l p f l l ，一) ，且，_ 【3 e ( 驴，) + 1 】4 ，其中e ( 驴，) 为两个j 下交偏振 光子可见度。h 塞可，见度为0 8 1 0 0 2 ，4 5 。1 3 5 。基可见度为0 8 5 0 0 2 。这 样，平均保真度为( 8 7 3 ) ，大于违背贝尔不等式的临界值7 8 。 c h s h 不等式为 s2 l e ( 九，九) 一e ( 九，九) + e ( 九，九) + e ( 九，九) i 其中，s 为贝尔参数。根据量子力学，e ( 九，九) = 一c o s 2 ( q o a 一九) 】。 一l t l 。 。： 爪一奎、 ： 厂 ；工矗、j 。 f j ，i j - 。弋一 ， ， ， ： 僵 ，： r ： o4 5譬召 3 s1 8 02 2 52 7 0 p o l a r i z o ra n g l e 鑫1r 台c 嵇i v e rb ( d o g ，o o s ) 图1 5 偏振关联试验数据 f i g 1 - 5t h ed a t ao fp o l a r i z a t i o nc o r r e l a t i o n 当 九，无，九，无卜； o 。，4 5 。2 2 o6 7 5 。】i 时，s 最大值为2 乏一2 8 2 8 。实验测 得关联系数如表1 3 所示。实验得s = 2 4 1 0 1 0 ，大于4 个标准偏离。 表1 3 关联系数 t a b ale1 - 3c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ( 九，九)e ( 九，九) ( 0 。，2 2 5 。) 一0 5 0 9 0 0 5 7 ( o 。，6 7 5 。) + o 6 4 3 0 0 4 2 2 0 0 5 年，k j r e s c h 等人进行了夜晚城市链路7 8 k m 坌q 缠光子分配实验。 实验在奥地利的维也纳进行m 1 。实验如图1 - 6 所示。 錾垒：至矍三；i 茎! ：茎些：；耋兰 图1 6 试验装置图 f i g 1 _ 6 t h e e x p e r i m e n ts e t u p o f 7 8 k m o k d 没有直接稳定时间连接，双方通过计算本地记录的时间标志的交叉关联，通过 公共i n t e r f r e t 信道所分享，发现探测事件中的一致计数。源位于1 9 世纪天文 台k u f f n e rs t e r n w a r t e ( a l i c e ) ，接收站位于现代摩天大楼m i l l e n n i u mt o w e r 的第 4 6 层( b o b ) 。发射望远镜位于离地面1 5 m 高的天文台顶部，接收机离地面1 5 0 m 。 地球大气特征厚度7 3 k m ，水平4 5 k m 的散射损耗相当于垂直整个大气。偏振纠 缠光源采用类型1 1 参量下转换侣p d c ) ，由波长4 0 5 n m 激光二极管泵浦产生8 1 0 r i m 光子对，泵浦功率为1 5 m w 。在发射端，h v 基可见度为9 6 ，4 5 * 1 3 5 。基可见 度为9 0 。铷r u 原子钟提供很好的相对时间稳定性。实验结果如表1 4 。 表l _ 4 实验测量符合率 t a b l e l - 4 c o i n c i d e n c er a t e o fe x p e r i m e n t a l l y - m e a s u r e d m i l l e n n i u mt o w e r ( 1 3 0 b ) 雷 2 2 5 。1 2 5 。6 7 5 。 1 5 75 。 。妻 o 1 4 6 95 7 6 36 5 0 01 0 6 7 il 9 0 。4 0 1 51 3 0 51 4 8 32 9 5 9 4 5 。2 1 7 19 1 0 32 6 3 36 3 5 7 墨 1 3 5 。 1 7 0 11 7 0 1 6 8 8 91 0 9 0 实验得s - 22 7 0 0 1 9 。1 4 个标准偏离。量子误码率为 脚- 弘誓h t 一象) 望兰篓至：；茎三茎些圭耋兰 平均可见度，源为9 3 ，接收机为8 0 。 2 0 0 6 年，i v a nm a r c i “c 等人进行了基于纠缠光子的夜晚15k m 自由空间量子 密钥分配实验p l l 。实验装置如图1 7 。 遵篱磐皆薄 l 、s o 蒉一 幽1 7 实验装置图 f i g 1 - 7 t h ee x p e r i m e n ts e t u p o f l _ 5 k m o k d 偏振纠缠光源采用类型i i 参量下转换( s p d o ，由波蚝4 0 4 i i m 激光二极管泵 浦b b o 晶体，泵浦功率为5 0 r o w 。在发射端，h v 基可见度为9 8 2 6 ，+ 4 5 斗4 5 。 基可见度为9 2 22 。接收望远镜口径7 7 m m 。望远镜瞄准精度l o l i r a d 。铷振荡 器。实验结果如图1 8 。 幽1 - 8 实验结果 f i g1 - 8 t h er e s u l to f l5 k m o k de x p e r i m e n t 这个试验连续进行了1 0 h ，平均安全密钥率为6 3 0 b i t s s ，平均q b e r 为54 。 2 0 0 7 年，g r e g o r w e i h s 等人建立了基于纠缠的最子密钥分配系统m j ，连接三 个岛楼，如图1 9 所示。a l i c e 和b o b 间距离约为1 5 7 5 m 。纠缠光子对源位于w a t e r l o o 大学c e i t 第六层楼顶。a l i c e 位于w a t e r l o o 大学i q c ，距离纠缠源4 3 5 m 。b o b 位于 p i ，距离纠缠源为1 3 2 5 m 。偏振纠缠光源采用类型i i 参量下转换( s p d c ) ，由波长 錾：篓矍三查茎i ；茎堡圭呈兰 4 0 7 5 r i m 半导体激光器泵浦b b o 晶体，泵浦功率为5 0 m w 。 图1 - 9 试验原理倒 f i g 1 - 9 t h e p i i n c l p l e b a s e d e n t a n g l e q k d e x p e r i m e n ! 在发射端，州基可见度为9 9 5 ，+ 4 5 斗4 5 。基可见度为9 5 。两个信标激 光波长分别为6 5 8 n m 和8 1 0 n r n 。采用闭环控制链路。发射望远镜口径7 5 m i l l 。单 模光纤末端被固定，以便到透镜距离能通过高分辨率步进电机进行调整。同样 电机也被用于固定望远镜以调整俯仰角和方位角。所有电机都能远程控制便于 调整激光束方向。将来采用远程瞄准和聚焦能力实现瞄准方向的闭环跟踪。试 验结果如图1 1 0 所示 l 叫o 啊l - 、i ：麓：叫 口、f ”。l 口、 o、_ 、， 、 | 生| 】- 1 0 试验结果 f i g1 - 1 0 t h er e s u l tb a s e de n t a n g l eo k de x p e r i m e n t 2 0 0 6 年9 月，德国的l u d w i g - m a x i m i l i a n 大学、m a x p l a n c k 量子光学学院、 奥地利的v i e n n a 大学、欧洲空间局、意大利的p a d o v a 大学和英国的b r i s t o l 大 学合作进行了夜晚室外1 4 4 k i n 的自由空间量子密钥分配实验m l 。发射机位于l a p a l m a 的c a n a r y 岛( 海拔2 4 0 0 m ) ，接收机位于t e n e f i f e 的光学地面站( o g s ) ( 海 拔2 4 0 0 m ) ，r i c h e y c h r e t i e n c o u d e 望远镜e l 径为1 m 。实验装置如图1 1 1 所示。 ；j 呈垒：至竺；：垒茎圭茎篓圭璧兰 霉ic c 。叶：i 趱 b w 黼 麓嵩 r o i v er a n dp “a n z m ar 口q z e r 4 h 图1 1 1 自由空间1 4 4k m o k d 实验装置 f i g 1 - 1 1e x p e r i m e n t a ls e t u p o f f r e e - s p a c e l 4 4k m 0 k d 该实验采用b b 8 4 协议，发射机脉冲重复率为1 0 m h z ，光损耗约为3 5 d b 。 单光子源采用弱相干脉冲，波长为8 5 0 r i m ，带宽为1 5 n m 。为了保证量子密钥 分配的安全性，实验采用了诱骗态分析。链路的建立采用双向主动望远镜跟踪 系统，分别由两个步进电机和c c d 组成。信标光波长为5 3 2 n m ，跟踪系统带宽 为1 h z 。闭环跟踪系统控制望远镜的瞄准方向以补偿慢光束漂移。实验结果如 表1 - 5 。 表1 - 5 自由空间1 4 4 b n o k d 实验结果 t o l a lt i m es i f t e dd i s c l o s e dc o n e c t e do b e rs e c l l l * e r a k d a k k b i bk b 缸k b 缸b i t sb l t s s 0 9 0 6 2 0 0 61 72 1 86 41 06 4 81 仃r 0 41 1 0 90 62 0 0 61 79 52 034 7 1 19 0 41 0 9 0 62 0 0 6 4 8 2 3 66 62 4 00 5 122 国内研究现状 我国在自由空间量子密钥分配研究领域还处于起步阶段。1 9 9 5 年，中国科 学院物理研究所采用b b 8 4 协议在国内首次做了演示性实验，该实验中，自由 空间光路为2 0 c m ，每个脉冲平均光子数约为0 2 ，每次发送1 3 5 k 个光脉冲，大约 能有效传送6 0 0 b i t 密钥，系统通信误码率约为6 。1 9 9 7 年，华东师范大学采 哈尔滨理工大学工学硕士论文 用b 9 2 协议做了自由空间量子密钥分配演示性实验。实验分为两个：第一个采 用普通h e n e 激光器作光源，雪崩二极管( a p d ) 作光子探测器。第二个采用激 光二极管l d 作光源，光电倍增管作光子探测器。在第一个实验中，自由空间光 路约为3 0 c m ，每次通信a l i c e 共向b o b 发送3 0 0 0 0 个脉冲，通信速率为l o k b s ，平 均误码率约为6 。在第二个实验中，每次通信a l i c e 共发送5 0 0 0 0 个脉冲，平均 误码率约为2 1 【3 5 】。2 0 0 4 年，中国科学技术大学采用以不等( m a c h z e h n d e 0 干涉仪为基础的相位编码方式，实现了实验室内1 2 m 距离的自由空间量子密钥 分配。实验中，每个脉冲平均光子数为0 1 1 ，不等臂干涉环臂长差为3 m 。但是， 传输率较低，误码率偏高，相位调制速率只有1 0 0 h z ，其中一次传输误码率为 1 1 9 ，实测传输率为0 0 6 6 b i t s t 3 6 1 。2 0 0 7 年3 月中国科学院院士、中国科技大学 教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室，利用自主创新的量子路由器， 在北京网通公司商用通信网络上完成了四用户量子密码通信网络的测试运行， 并保证了网络通信的安全。用户之间最短距离约3 2 公里，最长约4 2 6 公里。测试 演示了一对三和任意两点互通的量子密钥分配，并在对原始密钥进行纠错和提 纯基础上，完成多媒体通信实验。 2 0 0 5 年苗二龙等人对背景光对卫星自由空间量子密码分配的影响进行了研 究【3 刀，通过多光子的噪声光子和单光子脉冲相比较，对试验系统的技术要求进 行了评价，证明了卫星一地面间的量子密码分配甚至在满月的时候也普遍可行。 2 0 0 5 年，潘建伟等人进行了1 3 k m 自由空间纠缠光子分发，试验实现了纠缠 光子通过地面大气1 3 k m 的自由空间分发【3 8 1 。实验表明，纠缠光子在通过大气层 等效厚度的距离之后，纠缠特性依然能够很好保持。文章作者观测了类空间隔 b e l l c h s h 不等式的破坏，其s 值达到2 4 5 0 0 9 。在这个基础上，利用分发的纠 缠光子对演示了b b 8 4 e 9 1 量子密码协议。这个试验第一次验证了用纠缠光子对 进行地面和卫星量子通信的可行性，为未来的基于人造卫星全球化量子通信打 下坚实的基础。在试验中，发信者位于中国合肥高2 8 1 m 的大苏山顶，两个接受 者( a l i c ea n db o b ) 分别位于合肥市的中国科技大学和肥西两地。两接受者之问的 距离为1 0 5 k m ，发信者茅h a l i c e 、b o b 之f h j 的距离分别是7 7 k m 和5 3 k m 。两纠缠 光子中的一个经历了合肥市上空极具挑战的环境穿越了近半个合肥市，接受者 之问由于其之间的建筑物不能看见对方。其试验装置如图1 1 2 。为了检测两接 收者之间的纠缠态的特性，对a l i c e 的偏振角进行了测量。所得到的四条曲线和 b o b 接收到的四个偏振角( h v + 4 5 。，4 5 。) 一致。数据非常符合证玄函数。这点 表明在h v 偏振基下可见度为9 4 ；在+ 4 5 0 - 4 5 0 偏振基下可见度为8 9 ，平均可 见度可达到9 1 。这已经远远超过了破坏b e l l 不等式的阈值要求。a l i c e 偏振角显 示圈为图1 1 3 。 群塞蚕忑l 善等 陛一选啪，忿： 卜一c 蝴h _ 、d啦一 u 。，三育 l 啦一一。， 一：x o 。寺c f i g1 - 1 2 b l o c k d i a g r a m o f t h ee x p e r i m e n ta n do p t i c a ls e t u p a t t h e w c e i v e x s 对单光子捕获理论分析，在2 0 0 5 年张光宇等人发表了一篇基于基模高斯光 束单光子捕获概率的研究呻l ，在此文章中建立了一种自由空间量子密钥分配的 单光子捕获概率理论模型。基于基模高斯光束，推导了单光子捕获概率的表达 式。得到影响单光子捕获概率的主要参量是发射机的跟瞄误差、光束远场发散 。、#、 f ： hr l “a r 一。l h 。_ 闰l + 1 3 a l i c e 的偏振角 f i g1 - 1 3 t h ep o l a r i z a t i o na n q l eo f a l i c e 角、发射机和接收机的链路距离和接收机天线孔径。针对低轨卫星地面站问链 路进行了数值仿真分析，得到单光子捕获概率一般在1 0 _ 3 至i j l o 。2 量级。同年又对 t e m 。模厄米- 高斯光束和t e m 。模拉盖尔一高斯光束【帅l 的单光子捕获概率进行 z x x m t；n*；0_i=lcoeev 哈尔滨理工大学工学硕士论文 了推导分析，对低轨卫星地面站间激光链路进行了单光子捕获分析，通过考虑 大气湍流的影响，对单光子捕获概率的表达式进行了修正。 1 3 本论文主要研究内容 l 对量子通信协议进行计算机仿真分析。 2 对基于高阶高斯光束的单光子捕获理论进行分析。 从麦克斯韦方程出发，基于量子力学的概率诠释，分析并完善了单光子捕 获概率理论模型。基于t e m 。，模拉盖尔一高斯光束和t e m ，。厄米一高斯光束，分 析了单光子捕获理论模型。针对低轨卫星一地面站间链路，采用高阶高斯光束， 单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法，可使得接收机以最大概 率捕获光子。 3 对星地链路量子通信系统模型进行分析。 基于b b 8 4 协议，建