（通信与信息系统专业论文）自由空间量子通信若干问题研究.pdf

摘要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。关键词：量子通信，量子纠缠，量子中继，量子交换，量子信号传输特性a bs t r a c tq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ni san e wa n dd e v e l o p i n gs u b je c to fs t u d y , w h i c hi sb o r ni i lt h em s i o no fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dq u a n t u mp h y s i c s i ti san e wf i e l do fs c i e n c ei i lt h en e a rf u t u r e q u a n t u mc o m m u n i c a t i o nc a nb r e a kt h r o u g ht h ep h y s i c a ll i m i to fc l a s s i c a lc o m m u n i c a t i o ni nt h ea s p e c t so fe n s u r i n gt h es e c u r i t yo fi n f o r m a t i o n ，e n l a r g i n gt h ec a p a c i t yo fi n f o r m a t i o na n di m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no fd e t e c t i o n ，t h e r e f o r e ，i tc a na c c o m p l i s hm a n yu n i m a g i n a b l et a s k sf o rc l a s s i c a lc o m m u n i c a t i o n t h em a i nf o r m so fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o na r eq u a n t u mc r y p t o g r a p h y , q u a n t u md e n s ec o d i n ga n dq u a n t u mt e l e p o r t a f i o n q u a n t u ms e c r e tc o d ec o m m u n i c a t i o nr e l i e so nt h el a w so fq u a n t u mp h y s i c s i tp r o v i d e sp e r f e c t l ys e c u r ek e yd i s t r i b u t i o n i tr e l i e so nt h eh e i s e n b e r gu n c e r t a i n t yp r i n c i p l ea n das i n g l eq u a n t u mc a n n o tb ec l o n e do fq u a n t u mm e c h a n i c s q u a n t u ms e c r e tc o d ec o m m u n i c a t i o nw i l lp r o v i d ew i t hn e wp r i n c i p l e sa n dm e t h o d sf o rt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt h e o r yi nt h ef u t u r e b e c a u s eq u a n t u ms e c r e tc o d ec o m m u n i c a t i o nc a nr e a l i z et h eu n c o n d i t i o n a ls e c u r i t yo fi n f o r m a t i o n i n t e r c h a n g e ，i th a sg r e a ts t r a t e g i cs i g n i f i c a n c ea n dt r e m e n d o u sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s q u a n t u ms e c r e tc o d ec o m m u n i c a t i o nw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ni n f o r m a t i o ns e c u r i t yt h i sd i s s e r t a t i o ni sc o n c e r n e dw i t hq u a n t u mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nf r e es p a c ec e n t e r e do nt h er e s e a r c hf o c u so fq u a n t u ms e c r e tc o d ec o m m u n i c a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yi n v o l v e sf o u ra r e a so fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ni nf r e es p a c e ，i e ，t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ni nf r e es p a c e ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fq u a n t u mc h a n n e lo ff r e es p a c e ，t h eq u a n t u mr e p e a t i n gt e c h n o l o g ya n dt h eq u a n t u ms w a p p i n gt e c h n o l o g yu s e df o rf r e es p a c e t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa n dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ：1 a n a l y s i st ot h eb a s i cp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do ne n t a n g l e m e n t ，w ep r e s e n t e das c h e m eo fe x p e r i m e n t a ls y s t e mo fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o nt h a to p e r a t e df o rf r e es p a c e t h i ss y s t e mi sc o m p o s e do ft w os u b s y s t e m s ，w h i c hu s ea t t e n u a t e dl a s e ro re n t a n g l e dp h o t o np a i r sa sp h o t o ns o u r c e ，r e s p e c t i v e l y i tc a nb eu s e df o re x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni na t m o s p h e r ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e mu s i n gas i n g l ep h o t o ns o u r c eo re n t a n g l e dp h o t o np a i r s ，r e s p e c t i v e l y , g o i n ga l o n gw i t hac o m p a r i s o no ft h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nf r e es p a c eb e t w e e nt h et w os y s t e m s t h i sm e t h o ds t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do ne n t a n g l e m e n t ，b yc o m p a r i n go fas i n g l ep h o t o ns o u r c eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hi sm o r em a t u r e l yt h a nf o r m e r i t sm e r i ti st h a tt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mc a nb ep r e d o m i n a t e dm o r eq u i c k l yb yu s i n gc o n a p a r i s o ns t u d y t h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n tc o r r e l a t i v e l yc a nb eg o te f f e c t i v e l yh o l do fa ss o o na ss c h e m eo ft h es y s t e mi sc o r r e c t e d i th a v es i m u l a t e dt h ed i s n i b u t i o no fq u a n t u mk e ya n de n t a n g l e dp h o t o np a i r si nf r e es p a c e an e ws c h e m eo fq u a n t u mc o m m u n jc a t i o ni ne a r t h s p a c eh a sb e e np r e s e n t e d i tc a l li m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h eq u a n t 哦k e yd i s t r i b u t i o ni nf r e es p a c ew i t ht h em e t h o do fm u l t i c a s to fe n t a n g l e dp h o t o np a i r si ns a t e l l i t e e a r t hl i n kb yu s eo fs t r a t o s p h e r i cp l a t f o r mo rs y n c h r o n o u ss a t e l l i t e s 2 a n a l y s i sh a sb e e nm a d ef o rt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fq u a n t u mc h a n n e li nf r e es p a c e i th a sb e e nr e s e a r c h e dt h a tt h ei n f l u e n c e so fa t m o s p h e r eo np r o p a g a t i o no fp h o t o n si nd i f f e r e n ta r e a s ( c i t y , d e s e r t ，a n ds e a ) t a k ei n t oa c c o u n tt h ea t t e l m a t i o na n dd e p o l a r i z a t i o ne f f e c t so ne a r t h s p a c ep a t h s ，am o d e lf o rp r o p a g a t i o no fp o l a r i z e dp h o t o ni so b t a i n e dt h e o r e t i c a l l y am e t h o do fc a l c u l a t i n gt h eq u a n t u mb i tt r a n s m l s s l o nr a t ea n dq u a n t u mb i te r r o rr a t ei nf r e es p a c eh a sb e e np r e s e n t e d b a s e do nt h er e c i p r o c i t vb e t w e e nt h ep o l a r i z e dp h o t o na n dt h ef l e es p a c ec h a n n e l ，t h ei n f l u e n c eo ft h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c so np r o p a g a t i o no fp o l a r i z e dp h o t o n sh a sb e e ns t u d i e d t h ee f f e c to fa t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n to nq u a n t u mc o m m u n i c a t i o nh a sb e e na n a l y z i n gn u m e r i c a l l yo ne a r t h s p a c ep a t h s i ti ss h o w nt h a tu n d e rc l e a rs k ya t m o s p h e r i c ，a t t e n u a t i o na r eo b v i o u so nq u a n t u mb i te r r o rr a t e ，e s p e c i a l l y ,u n d e rr a i n f a l l ，d e p o l a r i z a t i o ne f f e c t so nq u a n t u mb i te r r o rr a t em u s ta l s ob ec o n s i d e r e d 3 w eh a v es t u d i e dt h eq u a n t u mr e p e a t i n gt e c h n o l o g yu s e df o rf r e es p a c e as c h e m eo fq u a n t u mr e p e a t i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s e df o rf r e es p a c ew a sp r o p o s e d ，w h i c hu t i l i z ee n t a n g l e dp h o t o np a i r sa si t so p t i c a lr e s o u r c e t h em e t h o do fq u a n t u mr e p e a t i n gw a sb a s e do ne n t a n g l e m e n tp r e p a r a t i o n ，e n t a n g l e m e n td i s t r i b u t i o n ，e n t a n g l e m e n tp u r i f i c a t i o na n de n t a n g l e m e n ts w a p p i n g b a s e do nt h ee n t a n g l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h eq u a n t u ms t a t e sa n dt h ec o n t r o lr e l a t i o n s h i po ft h ee n t a n g l e m e n t口h a n 自l mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 。t h es c h e m ee x t e n d st h ed i s t a n c eo fc o m m u n i c a t i o nb vr e i t e r a t i o no ft h ee n t a n g l e m e n ts w a p p i n ga n de n t a n g l e m e n tp u r i f i c a t i o n t h et h r o u g h p u to ft h eq u a n t u mr e p e a t e rw i t ht h ep r o b a b i l i t i e so fq u a n t u mt e l e p o r t a t i o na n de n t a n g l e m e n to ft h eq u a n t u mc h a n n e lh a sb e e nc a l c u l a t e dn u m e r i c a l l y an e wm e t h o do fq u a n t u mr e p e a t i n gc o m m u n i c a t i o ni sp r e s e n t e d t h eq u a n t u mr e p e a t e r sw e r em a d ew i t hg r o u n ds t a t i o n ，s t r a t o s p h e r i cp l a t f o r ma n ds y n c h r o n o u ss a t e l l i t e s ，t h e r e f o r et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo ft h eq u a n t u mr e p e a t e rc a nb ei n c r e a s e de f f e c t i v e l y 4 w eh a v es t u d i e dt h eq u a n t u ms w a p p i n gt e c h n o l o g yu s e di nq u a n t u mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sf o rf r e es p a c e as c h e m eo fq u a n t u ms w i t c hb a s e do ne n t a n g l e dp h o t o np a i r si sp r e s e n t e d ，w h i c hu t i l i z ee n t a n g l e m e n ta si t se s s e n t i a lr e s o u r c e t h eq u a n t u ms w i t c hi sc o m p o s e do fs w a p p i n gu n i t ，c o n t r o l l i n gu n i ta n di n o u tu n i t t h ee n t a n g l e m e n to fp h o t o n sb e t w e e ns e n d e ra n dr e c e i v e r1 sb u i l tb ye n t a n g l e m e n td i s t r i b u t i o n ，a n di ti st h eq u a n t u mc h a n n e lo ft h e m t h eq u a n t u ms i g n a li st r a n s f e r r e db yt h ep r i n c i p l eo fq u a n t u mt e l e p o r t a t i o n t h eq u a n t u ms w i t c hc a nf i n i s ht h eq u a n t u ms w a p p i n gb yu s i n ge n t a n g l e m e n tp u r i f i c a t i o na n de n t a n g l e m e n ts w a p p l n g ，e x p e d i t i o u s l y t h ef u n c t i o no fi t ss w i t c h i n gi sq u i c k e rt h a nt h eq u a n t u ms w i t c hb a s e do np h o t o ns w i t c h as c h e m eo fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki ss u g g e s t e dt o re a r t h s p a c e t h en o d e so ft h eq u a n t u ms w i t c ha r em a d ew i t hg r o u n ds t a t i o n ，s t r a t o s p h e r i cp l a t f o r ma n ds y n c h r o n o u ss a t e l l i t e s ，a n di t sq u a n t u mc h a n n e li ne a r t h - s p a c el i n ki sm a d eb yu s eo fe n t a n g l e dp h o t o np a i r s i th a sg o o da b i l i t yo fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ni ne a r t hs p a c el i n k k e yw o r d s ：q u a n t u mc o m m u n i c a t i o n ，q u a n t u me n t a n g l e m e n t , q u a n t u mr e p e a t i n g ，q u a n t u ms w a p p i n g ，p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f q u a n t u ms i g n a l创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：磋】盏日期：鱼孥：么：o关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人签名：塑约丝导师签名：日期：上掣堑扎日期：翊! ：! ：!第一章绪论第一章绪论1 1自由空间量子通信研究背景及意义1 1 1 量子通信概述量子力学的诞生深刻地改变了人类社会，它揭示了量子物理规律是描述微观尺度下物质世界遵循的规律。经典物理对物质世界的描述仅在宏观条件下是正确的，经典的物理规律是量子物理规律在宏观条件下的近似。二十世纪推动社会发展的核能、激光、半导体等高科技，都是源于量子力学【卜4 】。二十世纪八十年代以来，人们正逐渐的认识到，物理学与信息科学技术之间存在着密切的联系。它们之间的联系不但表现在信息需要借助物理的手段存储、传输和处理，而且还表现在信息科学与技术的概念和原理都要受到某些物理规律的制约。当对信息的处理由经典物理过渡到量子物理时，因为量子态与经典物理状态所具有的根本不同的物理属性，所以，以经典物理为基础的信息科学理论与技术不可避免的需要重新审视。量子力学与经典信息科学的结合，产生了量子信息科学2 1 。量子特性在提高运算速度、保证信息安全、增大信息容量和提高测量精度等方面，将会突破经典信息系统的极限，对现有信息技术带来革命性的变革。量子信息科学引起了各国政府及学术界的高度重视。近二十几年来，有关量子计算、量子通信、量子密码、量子信息的理论和实验研究取得迅猛发展，使得信息科学跨入了量子信息的新阶段盼9 5 1 。信息安全是构建和谐的信息社会的基础。随着信息科学与技术的飞速发展，信息安全受到了越来越多的重视。如何防止信息在传输的过程中被窃听或篡改，则是信息安全的最基本部分。目前绝大部分的防窃听手段都是建立在经典密码学的基础上，它们是利用计算的复杂性来确保窃听者在没有解密密钥的情况下，在有限的时间内无法完成破译所需的大量计算，从而保证信息安全的。随着信息科学与技术的迅速发展，经典密码学面临一些严重的问题。首先，人们并没有完全证明破译经典密码的运算量是现有技术所无法完成的。另外，随着计算机技术的飞速发展，人们一旦拥有了量子计算能力，在原则上，这种基于阳安电子科技大学博十学位论文：白由空间量子通信若干问题研究计算复杂性的经典加密方法都是可以被破解的。一旦量子计算机投入使用，那么传统的r s a 公钥体系将面临全面崩溃的危险，人们通过量子计算机可以轻易地破解密钥而得到加密信息。整个经典保密通信体系对于窃听者将完全透明。面对如此严峻的挑战，人们开始寻找一种在物理基本原理上能够证明绝对安全的通信手段。量子力学正好为我们提供了解决通信安全性的全新途径。量子通信的安全性依赖于量子力学中的量子态叠加原理、海森堡不确定性原理、单光子不可分割性和量子不可克隆定理。这些量子力学基本原理客观存在于任何微观量子体系中，保证了未知的量子态( 量子比特) 不可以被精确复制，因此采用量子比特作为信息载体的量子通信系统，能够准确的检测出是否存在窃听，从而在物理基本原理上确保了万无一失的安全通信。量子通信的过程遵从量子力学原理，可以实现一些经典通信过程无法做到的新的信息功能。经典比特可以看成量子比特的特例。用量子比特来表示信息是量子信息的出发点，有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理。信息的演变遵从薛定谔方程，信息传输就是量子比特在量子通道中的传送，信息处理就是对量子比特的幺正变换，信息提取便是对量子系统实行量子测量。量子通信的研究紧扣国家重大需求问题。量子通信可望大幅度提高信息传输的安全性、信息传输的通道容量和传输效率等，是未来信息技术发展的重要战略性方向，并极有可能引起诸多相关科学和技术领域的革命，对经济和社会的进步产生难以估量的影响。对量子通信的研究是当前国际上量子通信科学领域的热点。以量子信息科学为基础的量子通信正在成为发达国家激烈竞争的焦点。并极有可能对人类社会经济发展产生巨大的影响。据估计，在未来2 0 年左右，量子通信可望在全球形成几千亿美元的相关产业。我国政府也高度重视量子通信技术的发展，在国家中长期科学和技术发展规划纲要中，将量子通信研究列入重大科学研究计划。发展量子信息学、量子通信、量子计算机等未来信息基础技术，具有明显的前瞻性。1 1 2 研究自由空间量子通信的意义量子通信系统的实现，依赖于具体的量子比特以及对量子比特的操作。为了能够在量子通信系统中传输量子比特，必须产生在变换、传输和处理中具有量子特征的信号，这就是量子信号。这种量子信号，必须满足量子力学的基本原理，第一章绪论是量子通信系统中量子信息的载体。量子信号应该是具有明显量子效应的物理量。所有微观系统都具有量子效应，如：光子、电子、原子等，都可以作为实现量子通信的量子信号。目前，在量子通信系统中，主要使用量子信号的传输特性。由于光信号具有良好的传输特性，并且经典光通信技术非常成熟，因此，在现有技术条件下，比较容易实现的量子通信方式是光通信。量子光通信包括：使用有线信道的光纤量子通信，和使用无线信道的自由空间光量子通信。使用的量子信号包括：离散量子信号、连续量子信号、光孤子量子信号和纠缠量子信号等阳6 m 2 1 。在使用离散量子信号的量子通信系统中，一种是使用单光子量子信号。由于光子是基本粒子，没有内部结构，因此，单光子具有不可分离的特性。这为使用单光子量子信号的量子通信系统提供了可靠的安全性保障。但是，在现有技术条件下，制备单光子难度很大。在目前条件下，制备单光子的主要技术有：光子转栅技术、自发辐射参量下转换技术等。这样制备的单光子，在信道中损耗较大，传输距离较短。使用单光子量子信号的量子通信系统的优点是，具有可靠的安全性。缺点是单光子的制备与检测技术困难，对设备要求非常严格，信号传输距离短、差错率高。这是一种在理论上和实验室中较好的研究形式，但是难以在实用系统中实现。另一种是使用微弱激光脉冲量子信号的量子通信系统。它利用具有强相干性与高亮度的激光脉冲来增强光子信号的强度，以提高信号的传输距离和减小差错率。为了得到接近于单光子性能的量子信号，使每个激光脉冲中的光子数目为l 。但是，在实际系统使用的微弱激光脉冲中，不可避免有的脉冲中含有多个光子，无法利用单光子的不可分割特性，会受到分割光子数攻击( p n s ：p h o t o n n u m b e r s p l i t t i n g ) ，难以保证该量子通信系统的安全性。使用微弱激光脉冲量子信号的量子通信系统的优点是，系统结构简单，技术实现容易。缺点是激光脉冲序列中含有一些零个光子的脉冲( 空脉冲) ，不利于量子信号的检测，而那些多光子脉冲则无法保证该系统的安全性。对使用微弱激光脉冲量子信号的量子通信系统的改进是“诱骗态系统”。诱骗态的基本原理是：发信者a 1 i c e 在产生平均光子数为u 的信号同时，产生平均光子数为v 的“诱骗”状态。从a l i c e 随机产生的信号脉冲或诱骗脉冲发给收信者b o b ，当b o b 接到信号后并通知a 1 i c e ，a 1 i c e 告诉b o b 每一个信号的状态。每一个状态的阳交电子科技人学博士学位论文：白由空间量子通信若干问题研究统计特性可以被分别处理。窃听者e v e 只能知道每一个脉冲的光子数，不能确切知道每一个脉冲的具体状态。e v e 的攻击( 测量或是p n s 分割光子数攻击) 会改变信号状态或诱骗状态的统计特性，因此会被发现。使用诱骗态只能发现窃听者，不能产生密钥，可以在微弱激光条件下实现安全通信。但是，微弱激光脉冲量子信号的传输距离有限，若要进行长距离量子通信，必须使用量子中继器( q u a n t u mr e p e a t e r ) ，而单光子源是无法实现量子中继的。在连续量子信号中，一种是调制相干光量子信号。它对弱相干光的相位和振幅( 都是连续变量) 进行调制，使得它们满足量子特性。研究者预期，以这种量子信号设计的量子密码系统，将更具有可操作性，应用于量子通信时将显著提高传输速度，具有良好的应用前景。另一种形式的连续量子信号是压缩光量子信号。它比单光子信号更容易实现，并且具有完美的量子特性，可以克服微弱激光脉冲信号的缺点，容易实现纠缠量子比特的制备。其主要缺点是，目前压缩光技术还不成熟，难以在技术上实现。光孤子量子信号，利用光孤子的稳定性和良好的传输特性来实现量子通信。技术上比单光子信号容易实现，可以得到量子光孤子纠缠对。这种技术目前还很不成熟，许多理论和技术问题有待进一步研究，是一种前景很好的侯选技术。使用纠缠量子信号的量子通信系统，利用量子隐形传态，进行量子信息的传输。由纠缠光予对构成量子信道。组成纠缠光子对的两个光子a 和b 的状态是不可分割的。单独测量其中一个光子的状态，会得到完全随机的结果。但是，一旦通过测量得到光子a 的状态时，光子b 也将塌缩到相应的状态上。利用量子纠缠的这种独特性质，系统事先为发信者a 1 i c e 和接收者b o b 分发一对纠缠光子。a 1 i c e 并d b o b随机改变各自的测量基矢，对各自拥有的纠缠光子进行测量。当两人的测量基矢相同时，就将得到一组互补的随机数。用这样的随机数序列作为一次性便笺式密码通信，加密的密文是绝对安全的。窃听者e v e 无法克隆纠缠光子对或其中的一个光子。一旦e v e 进行窃听，纠缠光子对的特性就被破坏，a l i c e 和b o b 立刻就会发觉。所以，基于纠缠光源的量子通信系统是绝对安全的。量子通信发展到今天，量子光纤通信已经取得很大进步。但由于光纤系统受到地理条件限制，无法实现全球量子通信。对于建立全球量子通信网的设想，量子通信的研究必须要解决传输距离短，传输过程受外界地理条件影响大的缺陷。卫星量子通信技术利用卫星与地面建立通信网络，使得通信范围大大提高，通信的第一章绪论时效性也得到改善。利用卫星来分发单光子( 或纠缠光子对) 的方法为远程量子通信网络提供了一种独特的解决方案，这将克服现有的光纤和陆上自由空间链路所带来的距离限制，实现真正意义上的全球量子通信。为了实现长距离量子通信，构建全球量子通信网络，必须使用量子中继技术。在目前条件下，只有基于纠缠的量子通信系统才能实现量子中继功能。因此，必须研究基于纠缠的自由空间量子通信系统。，1 2自由空间量子通信研究及进展与经典保密通信不同，量子保密通信的安全性不是基于计算的复杂性，而是来源于量子物理的基本特性。自从第一次提出量子信号可以用来安全传输信息以来，自由空间量子通信的研究取得了很大进展，典型成果如下n 0 3 叫1 6 1 。1 9 8 4 年，i b m 公司的c h a r l e sh b e n n e t 和加拿大蒙特利尔大学的g i l l e sb r a s s a r d 提出了第一个量子密钥分发协议，简称为b b 8 4 协议乜。该协议利用非正交量子态不可区分的性质，以及量子测量会引起量子态塌缩到本征态的原理，可以在通信双方没有共享密钥的情况下，通过辅助的经典信道，建立安全的通信密钥。由于这个协议建立在量子物理规律之上，所以能够实现绝对安全的密钥分发。量子密钥分发是通过协议和量子态来传输信息，在收发双方之间建立共享的密钥，从而完成绝对保密的密码通信。1 9 9 1 年，牛津大学的a r t u re k e r t 幂l j 用e p r s q 缠光子对构造了b b 8 4 协议的一个变形。并且在1 9 9 2 年，与b e n n e t 、b r a s s a r d - - 起发表了相关的论文，被称为e p r 协议或e 9 1 协议。该协议提出，可以利用事先制备的e p r 对，分发给发信者a 1 i c e s h 收信者b o b ，实现用e p r 对建立的量子信道来传输量子密钥。e 9 1 协议在安全性上与b b 8 4 协议是等价的。虽然在目前的技术条件下，e p r 协议的实现l l b b 8 4 协议难度大，但是，e p r 协议的提出具有重要的理论价值。它把量子密码通信与纠缠态直接联系起来了，为量子通信的研究开辟了新的方向阳2 4 3 。1 9 9 3 年，z u k o w s k i 等人提出纠缠交换的实验方案n 陬1 0 5 1 。国内外学者们在纠缠交换方面做了大量的工作，对两个光子的纠缠交换进行了深入研究。中国科技大学潘建伟教授等在量子纠缠的研究中，取得了一些国际领先的成果。1 9 9 8 年，b r i e g e l 等人提出了量子中继器方案，以解决长距离量子通信中退相两安电子科技人学博十学位论文：自由空间量子通信若干问题研究干效应带来的最大距离限制随7 1 。量子中继器方案包括纠缠制备( e n t a n g l e m e n tp r e p a r a t i o n ) 、纠缠分发( e n t a n g l e m e n td i s t r i b u t i o n ) 、纠缠交换( e n t a n g l e m e n ts w a p p i n g ) 、纠缠纯化( e n t a n g l e m e n tp u r i f i c a t i o n ) 等部分，利用这个方案可以在遥远两地制各高品质的纠缠态，从而可以用于量子通信。由此开始，国内外学者在纠缠制备、纠缠分发、纠缠纯化等方面进行了大量研究，取得了很大进展。潘建伟小组完成了量子中继器的实验演示，为实现长距离量子通信提供了基础。1 9 9 9 年，k w i a t 等人通过参量下转换方法成功实现了高亮度量子纠缠源，得到了可以用作纠缠量子信号的极化纠缠( p o l a r i z a t i o n e n t a n g l e d ) 光子对。j e n n e w e i n 等人研究了基于纠缠光子对的量子密码通信，在利用极化纠缠光子对进行密码传输等方面取得了一些进展0 6 1 0 7 。2 0 0 1 年，r i b o r d y 4 、组实现了基于时间能量纠缠( e n e r g y t i m ee n t a n g l e d )光子对的量子密码通信方案n 1 0 3 。2 0 0 2 年，b o s t r o m 和f e l b i n g e r 提出了一种利用纠缠光子对直接传输信息的协议，被称为p i n g p o n g 协议n 1 2 1 。该协议每传输一个量子态，可以传输一个比特的经典信息，借助公开的经典信道检测窃听者。在目前技术条件下，该协议的实现相对比较容易，具有很好的实用前景，是值得关注的量子直接通信协议