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《中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)》 2014年
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自由空间量子密钥分发中偏振检测与基矢校正的研究

张明  
【摘要】:基于海森堡不确定性原理和量子不可克隆定理,量子密钥分发为一次性密钥提供了理论上绝对安全的保密信道。自由空间量子密钥分发,特别是星—地量子密钥分发,以卫星激光通信技术为基础,近几十年获的了长足的进步,并成为建立全球化保密通信网络的最佳实现途径。基于单光子偏振态的星地量子密钥分发是近阶段最容易实现的量子密钥通信。根据BB84协议,发送端Alice利用随机偏振态的光子作为密钥载体,通过量子信道发送给接收端Bob,Bob检测到密钥信号并与Alice共同筛选出通信密钥,然后Alice通过“一次一密”的加密方式对明文进行加密,并发送给Bob,完成保密通信。在量子密钥分发过程中,为了保证Bob能正确检测到Alice发出的单光子的偏振态,要求Bob与Alice使用的基矢坐标系保持一致。然而在包含运动平台(比如近地卫星)的星地量子通信系统中,由于卫星的运动会使通信双方产生基矢偏差,由此造成接收端的量子误码率升高。量子误码率高出一定阈值的话会使量子通信变得毫无意义,因此需要通过技术手段对基矢偏差进行校正。 本文从量子通信的原理为切入点,分析了基矢坐标系对单光子偏振检测的重要性,并推导了基矢偏差与量子误码率的关系公式,通过关系公式提出了基矢校正精度的要求。通过自由空间量子密钥分发系统的结构特点,分析了卫星运动对基矢的影响,从转台望远镜光学机构的角度推导了基矢偏差的计算公式。提出基于卫星轨道测量和基于卫星轨道预报的两种基矢校正方案,在舟山飞行实验中对第一种方案的可行性进行了检验。根据BB84模块的偏振检测特性提出了基于单光子测量的基矢校正方案;通过软件修正的方法提高了基矢偏差的检测精度;分析了单光子探测器与光子密度对偏振检测精度的影响;并在飞行实验中检验了该方案的校正精度。通过这些研究可以消除自由空间量子密钥分发中由于相对运动所造成的基矢偏差的影响,保证量子通信安全顺利的进行。 本文的主要工作内容和创新点有: 1)从偏振光检测的角度分析了基矢偏差对量子通信中量子误码率的影响,推导了量子误码率与基矢偏差的关系公式,根据关系公式提出基矢校正精度的需求。 2)分析了卫星转台和卫星姿态对基矢偏差的影响,推导了基于卫星终端二维平台的基矢偏差计算公式。根据该公式提出了卫星轨道实时测量的基矢校正方案,并在舟山实验中对该方案进行了实验验证,验证结果满足基矢校正精度要求。 3)提出轨道预测数据基矢校正的方案,根据卫星轨道预报的数据以坐标变换的方式计算出基矢偏差角度,并存储为基矢偏差数据,在卫星运行的过程中直接提取数据进行基矢校正。用软件仿真的方式对轨道预报数据基矢偏差的算法进行了验证。 4)分析了BB84解码模块的偏振检测特性,提出软件逼近参数的方法改进了偏振测量精度,综合分析了影响该模块检测精度的因素,得到了该模块的偏振检测精度的瓶颈主要在于单光子探测技术的限制。 5)设计并制作了基于单光子检测的基矢自动校正装置,并编写了配套的控制软件程序。在实验室对该装置进行了基矢校正精度验证,并分析了不同光子密度下的基矢校正精度。通过将该装置应用于舟山飞行实验检验了其基矢校正性能,基矢校正精度能达到2°以内。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN918.4

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