PM2.5大气污染对自由空间量子通信性能的影响

近年来,PM2.5大气污染日益严重,不仅影响空气质量与大气能见度,而且还会对自由空间量子光信号的传输造成影响.然而,有关PM2.5与自由空间量子通信信道参数关系的研究,迄今尚未展开.本文根据PM2.5粒度谱分布函数及其化学成分的消光份额,提出了PM2.5指数、大气湿度与自由空间量子信道衰减的关系;针对幅值阻尼信道和退极化信道,分别建立了PM2.5污染程度与信道容量、信道平均保真度、信道误码率的定量关系.仿真结果表明,当大气湿度为30%,PM2.5指数分别为50和300时,自由空间量子通信信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别依次为0.83和0.21,0.91和0.56,0.0048和0.0192.由此可见,PM2.5污染程度对自由空间量子通信性能有显著的影响.因此,为了提高自由空间量子通信的可靠性,应根据PM2.5大气污染状况,自适应调整系统的各项参数.

非球形气溶胶粒子及大气相对湿度对自由空间量子通信性能的影响

当量子光信号在自由空间中传输时,不可避免地会穿过大气,而存在于大气的气溶胶的光散射与吸收必然会影响量子光信号的传输.本文根据气溶胶粒子谱分布及其消光系数,提出了圆柱形、椭球形、Chebyshev三种非球形气溶胶粒子与链路衰减、量子纠缠度的关系;分析了大气相对湿度与量子纠缠度、保真度的定量关系.仿真结果表明,圆柱形、椭球形、Chebyshev三种非球形气溶胶粒子对链路的衰减程度依次递增;随着圆柱形、椭球形粒子的取向比和Chebyshev粒子的等效半径的增加,纠缠度呈不同的变化趋势;当大气相对湿度为0.2和0.9时,纠缠度和保真度分别为0.72,0.32和0.75,0.22.由此可见,非球形气溶胶粒子及大气相对湿度对量子通信系统的性能影响极大.所以,在实际的量子通信系统中,应根据不同非球形气溶胶粒子和大气相对湿度,自适应调整系统的各项参数,以提高量子通信的可靠性.

自然环境中多因子对自由空间量子通信性能的影响

根据大气中尺寸与光波长相近的各粒子的粒度谱分布函数,分析了大气湿度、粒子浓度、光信号波长和粒子直径等因子与量子弱相干光信号的衰减关系.讨论了多环境因子对大气能见度的影响,得到平流层量子通信中大气能见度和探测望远镜倾角对链路衰减的影响,量子信号传输误码率、保真度与大气能见度和传输距离的定量关系.仿真实验表明,随着大气湿度和粒子浓度的增加,量子信号传输的链路衰减逐渐增加,当光信号波长与粒子直径相近时,衰减最显著;在传输距离为15km,望远镜倾角为90°的前提下,当大气能见度分别为5km和15km时,链路衰减依次为18.9dB和14.2dB,信道误码率分别为0.010 5和0.009 9,信号保真度分别为0.22和0.71.

自由空间量子通信实验研究与进展

量子通信的安全性是基于Heisenberg测不准原理、单光子不可分割性和量子不可克隆定理,它遵从物理规律,是绝对安全的．近年来量子通信技术的迅速发展加快了量子通信的实用化进程．文中综述自由空间量子通信实验研究进展,简要介绍几种量子编码协议、不同类型单光子源的量子通信实验,说明全球量子通信的实现可能存在的问题与技术挑战,展望了自由空间量子通信的未来．

暴风雪对自由空间量子通信信道的影响及性能分析

为了研究暴风雪对自由空间量子通信信道的影响,根据暴风雪的物理性质,将暴风雪的强度分为4个等级,首先提出了暴风雪天气等级与自由空间量子信道衰减的关系;针对退极化信道和相位衰减信道,分别建立了不同等级的暴风雪天气与信道纠缠度、信道保真度的模式方程;最后,分析了不同等级暴风雪对量子信道可用时间利用率的影响。数值分析及仿真结果表明,当暴风雪天气等级由1增加到4时,自由空间量子通信信道衰减由0.9增加到13;信道纠缠度由0.93减小到0.25,保真度由0.97衰减至0.85;信道的可用时间利用率由0.88降低到0.37。因此,为了提高自由空间量子通信的可靠性,应根据暴风雪天气灾害程度,自适应调整系统的各项参数。

基于软件定义量子通信的自由空间量子通信信道参数自适应调整策略

自由空间量子通信会受到雾霾、沙尘、降雨等自然环境的干扰.为提升环境干扰下量子通信的性能,本文提出了基于软件定义量子通信(software defined quantum communication,SDQC)的自由空间量子通信信道参数自适应调整策略.该策略通过对环境状态实时监测,根据预置在应用层的程序,对量子初始状态及单量子态存在时间等相关参数进行自适应调整,提高自然环境背景干扰下自由空间量子通信系统的保真度.仿真结果表明,在退极化、自发幅度衰变及相位阻尼三种噪声信道参数取值不同时,SDQC系统参数的最佳取值也不同.系统根据环境变化及业务需求,自适应地选择量子初始状态及单量子态存在时间,使量子保真度在通信过程中始终保持在峰值,有效提升了量子通信系统的适应能力及综合免疫力.

大气污染对自由空间量子通信数据传输质量的影响研究

分析大气污染对自由空间量子通信数据传输质量的影响,结合抗污染干扰方法实现量子通信数据传输优化,提出一种基于波特均衡调节和大气污染干扰抑制的自由空间量子通信数据传输优化方法。构建大气污染下的自由量子通信信道模型,采用码间干扰调制和自适应信号滤波方法进行自由空间量子通信信道的大气污染干扰滤波,结合自适应波特间隔均衡技术进行自由空间量子通信数据传输信道均衡设计,降低大气污染对自由量子通信的影响,提高数据传输质量。

自由空间量子通信的光子偏振

自由空间量子通信是实现全球量子通信网络的最佳方式之一.在自由空间量子通信过程中,广泛采用光子偏振态进行信息的编码和通信,要求光子偏振态必须保持一致.综述了影响自由空间量子通信光子偏振的5种因素,分析了它们对光子偏振态影响的物理机制及研究方法,对自由空间量子通信的光子偏振变化规律及其补偿机制的研究具有重要的借鉴意义.

光放大器对空间量子通信系统性能的改进

为提升自由空间量子通信系统性能,以相敏放大器(PSA)和相位非敏感放大器(PIA)原理为基础,研究了在量子通信系统接收端分别加入PSA、PIA后的高斯调制连续变量量子密钥分发(CVQKD)模型,推导了相应的安全密钥率公式。当信号波长分别为810 nm、1550 nm和3800 nm时,仿真分析了系统受到集体攻击和个体攻击情况下接收端采用零差检测和外差检测时安全密钥率与距离的变化关系,对比了相同条件下PSA、PIA对系统性能的提升效果。仿真结果表明:当接收端分别采用零差检测、外差检测时,系统相应选择PSA、PIA时的性能更好。

基于袋鼠纠缠跳跃模型的量子状态自适应跳变通信策略

自由空间中的量子通信会不同程度上受到雾霾、沙尘等自然环境的干扰.为了研究提升此类干扰下量子通信的性能,本文分析了背景干扰下单量子态信道随时间演化的性能变化,并根据袋鼠纠缠跳跃模型(KEHM),提出了基于KEHM的量子状态自适应跳变通信策略,对其性能参数进行仿真.仿真结果表明,采取量子状态跳变,在背景量子噪声的平均功率与量子信号平均功率的比值为5的情况下,量子误比特率随着量子态跳频率从1增大到15,由0.4524降低到0.1116;当单量子态传输成功率0.95,量子比特率大于200 qubit/s时,不同态跳频率下量子比特的成功传输概率均大于0.97.当发送端信号源平均量子数足够大且接收端接收效率趋近于1时,量子态的通过率也趋近于1;采取量子态跳自适应控制策略,能够进一步降低系统的误码率.