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。

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。