泡沫覆盖不规则海面的非均匀空-水信道量子密钥分发

针对空-水量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD),综合考虑海风影响、泡沫覆盖的不规则海面、空-水信道复杂多变性和量子偏振态多重散射过程,建立了非均匀空-水信道复合模型。据此完善了空-水QKD系统量子误码率理论模型,并采用偏振矢量蒙特卡罗算法模拟,详细分析了不同海洋环境下非均匀空-水信道光量子传输性能,及空-水QKD整体传输性能。结果表明:清澈海水条件下的非均匀空-水信道可实现水下百米量级的密钥分发,但风速和传输距离的增大都会导致光子退偏比增大,保真度减小,偏振误码率增加;同时风速和泡沫层厚度的增大也会造成空-水QKD系统量子误码率上升,密钥生成率和传输距离下降,且随信号波长的增加这两者也会增加,在波长为532 nm,信道由最佳(无风无泡沫)变至最差(暴风且泡沫层为6 cm)时,水下传输距离由120.8 m缩减至85 m,基本能保障水下航行器百米级的安全潜深,而采用拖拽浮标等措施又可进一步增加空-水QKD的安全距离。由此验证了泡沫覆盖不规则海面下非均匀空-水信道诱骗态QKD的可行性,对未来空-水一体量子通信链路的实现具有参考价值。

海面泡沫信道的波分复用偏振补偿改进方案研究

海面泡沫信道对量子通信中光子的偏振散射提高了偏振误码率。采用波分复用的偏振补偿方案对其进行补偿。在验证波分复用偏振补偿方案可行性的基础上,针对海面泡沫信道中波长间隔带来的偏振误差问题,提出了单参考光误差校准偏振补偿改进方案和双参考光偏振补偿改进方案。分别仿真了不同波长间隔下补偿后信号光的偏向角分布。结果显示,两种方案均可以有效地消除波长间隔带来的影响误差,其中双参考光偏振补偿方案性能更优,补偿效果更明显,但多参考光对实验设备提出更多的要求;波长间隔取值越小,补偿后信号光的偏向角越小,对应的偏振误码率越低。

泡沫覆盖不规则海面的空-水量子密钥分发

基于光子量子特性,综合考虑泡沫粒径分布、散射系数、泡沫层厚度及入射角、风速的影响,建立了一种泡沫-不规则海面的复合模型。给出了空-水量子密钥分发(QKD)系统的误码率公式,结合蒙特卡罗算法模拟研究了各参量对光子偏振量子态、QKD误码率及传输距离的影响,分析了泡沫-不规则海面下4强度BB84空-水QKD系统的性能。研究结果表明,偏振误码率随泡沫层厚度、散射系数、光源入射角的增大而增大;风速增大导致空-水QKD系统的量子误码率增大,安全传输距离减小;随着泡沫层厚度的增大,空-水QKD系统的密钥生成率和安全传输距离减小。当泡沫层厚度增至6cm并考虑最大偏振误码率时,最大安全距离由144m降至101.3m,但仍满足水下航行器100m的安全潜深要求。