单光子水下量子通信及其接口的理论和实验研究

摘要

作为量子信息科学的重要分支,量子通信以量子态为信息载体,克服了传统密码术的安全隐患,在理论上是“绝对安全”的。近年来,在水下传感网络、潜艇及各种水下航行器通信需求的驱动下,水下无线光通信也得到了迅速发展,而水下量子密钥分配(QKD)可为其提供绝对安全的保密手段。在光纤量子密钥分配趋于成熟,国际上已展开水下量子密钥分配研究的形势下,在国内适时开展水下量子密钥分配的研究是十分必要的,这不仅对量子通信和量子技术的发展有重要意义,而且在海洋、军事等领域有重要的应用前景。此外,构建大规模的量子通信网络时,各种量子模块需要通过量子接口连接以增加其可扩展性。研究动态的光子比特和静态的固态比特之间的相互作用也是量子通信研究中的内容之
　　基于此,本文开展了以下三个方面的工作:1)研究偏振光子在海水信道中的传输特性以及水下量子通信系统的硬件特性;2)进行水下量子密钥分配实验平台的搭建与测试实验;3)研究基于腔和量子点系统的量子接口问题。
　　第一项研究中,根据米散射理论和矢量辐射传输理论,以Monte C a rlo方法作为主要手段,对偏振单光子在海水信道中的传输过程进行了数值模拟,从理论上分析了海水信道和系统硬件对水下量子密钥分配的影响,验证了水下量子密钥分配的可行性。首先完善并利用水下量子通信信道模型,经过编程模拟研究偏振光子的水下传输特性;其次,根据模拟结果,研究了海水信道中光信号的衰减规律,分析了接收孔径和视场角对接收光子数的影响,计算了散射光子的退偏比和保真度等,还讨论了背景噪声的影响,估算了水下量子密钥分配的误码率和成码率;最后分析了量子密钥分配硬件系统特性和光学元件的退偏性,估算光源、探测器、光学器件等对系统性能的影响。综合以上研究结果表明,在夜晚背景光噪声较弱的清澈大洋海水中,理论上可在百米范围内进行绝对安全的水下量子密钥分配。
　　第二项研究中,我们与中国科学技术大学合作完成了实验平台的建设,并进行了初步的测试实验。研制工作包括光学系统、硬件电路和软件的设计与搭建。系统采用最成熟、应用最广泛的BB84协议,偏振编码方式。根据水下通信的要求,系统采用工作波长为450nm的L D半导体激光器。在搭建好的系统平台上,我们进行了无水环境下量子通信测试实验、偏振无关分束器退偏性实验和水下量子通信退偏性测试实验等,较好地验证了我们的部分理论结果。
　　第三项研究中,首先,我们把掺有单个电子的量子点、光学微腔和光纤组成的系统作为研究对象,基于腔-量子点系统的理论模型,对单光子波包与腔-量子点系统相互作用的动力学过程进行了研究。数值模拟表明,利用该模型可实现飞行光子比特与静态量子比特之间的相互转换,并可实现量子点中的光子和静态量子比特的纠缠。其次,我们提出了一种在高Q值光学腔中确定性制备两种原子纠缠态的理论方案。本方案中,在原子-腔大失谐条件下,原子的自发辐射作用受到抑制,尽管在现有实验技术上仍然还存在着腔衰减,但数值模拟结果表明,只要选择合适的参数我们仍然可以以高于90％的成功概率和高于95%的保真度制备出两原子的多维纠缠态。

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1 引言

1.1 选题背景及意义

1 .2国内外研究背景

1 .3研究内容及创新点

2 量子通信基础概述

2 .1量子信息基础

2 .2经典密码术

2 .3量子密码术

2 .4自由空间量子密钥分配

2 .5本章小结

3 偏振光子的水下传输模拟

3 .1海水的组成

3 .2海水的光学特性

3 .3海水中偏振光传输模拟

3 .4本章小结

4 水下量子密钥分配信道及系统特性分析

4 .1海水信道对通信质量的影响

4 .2量子密钥分配硬件系统分析

4 .3光学元件的退偏性分析

4 .4本章小结

5 水下量子密钥分配实验平台搭建与测试

5 .1硬件系统

5 .2软件系统

5 .3无水环境下量子通信测试实验

5 .5水下量子通信退偏性测试实验

5 .6 实验平台的误码率和成码率估算

5 .7本章小结

6 基于腔和量子点系统的量子接口研究

6 .1单光子与腔量子点相互作用

6 .2利用单光子实现腔中原子的多维纠缠

7 总结与展望

7 .1全文总结

7 .2展望

参考文献

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