多址量子退极化信道的信道容量

量子退极化信道是一类重要的量子噪声信道。为了计算简单且不失一般性,选取两输入、一输出的多用户模型,对量子退极化信道的容量进行研究,从理论上获得基于量子退极化信道的经典量子容量区域和量子容量区域。前者是一个用户发送经典信息而另一个用户发送量子信息的速率区域,后者是两个用户都发送量子信息的速率区域,并对多址量子退极化信道的性能进行分析。

基于退极化信道的量子密钥分配协议安全性能分析

量子密钥分配协议的安全性主要是指在一定信道条件下协议所能支持的最高安全密钥生成率,而退极化信道则是量子信息理论中一种常用的信道模型,该模型可以有效刻画量子态在量子信道传输中的扰动。利用量子信息论方法推导并模拟了退极化信道条件下BB84协议与设备无关协议的安全性。对于给定的退极化信道参数和信道衰减参数,进一步结合诱骗态方案给出了两种协议在不同信道传输距离下的安全密钥率。该研究结果可用于理论模拟在长距离量子密钥分配条件下的安全密钥生成率,为进一步的安全性分析和实验实现建立了理论基础。

关联退极化量子信道中qutrit-qutrit系统的量子相干性演化

为探索量子系统的退相干机制寻找延缓退相干的方法,本文研究了关联量子信道中的退相干过程,计算了关联退极化信道中两体qutrit系统的3种初态:一种特殊初态、最大相干初态和各向同性初态的范数相干性、相对熵相干性及基矢无关相干性.分析得出的解析结果、数值结果和演化图像可以发现:1)完全关联的信道能最大程度地抑制退相干;2)存在一个与关联度无关的最大退相干时间点,但其退相干的演化行为却依赖着关联度;3)信道的关联可以增强子系统间的相干性.基矢无关相干性遵循的不等式关系也在此系统中得以验证.

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。

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.

冰水混合云对量子卫星通信性能的影响

根据冰-水混合云中冰晶和水滴粒子的谱分布函数及消光因子,得到冰-水混合云的冰水含量比例与量子卫星通信信道之间的衰减关系;针对比特翻转信道和退极化信道,分别建立冰水含量比例与信道容量、信道保真度之间的方程;分析了冰水含量比例对信道建立速率的影响.仿真结果表明:当冰水含量比例分别为1∶2和1∶9时,比特翻转信道、退极化信道的容量分别为0.65和0.92、0.59和0.95;当信源字符的概率为0.9时,比特翻转信道、退极化信道的保真度分别为0.60和0.83、0.89和0.95;当传输距离为2km,纠缠粒子对保真度为0.8时,信道建立速率分别为7.40 Hz和15.57 Hz.因此,当量子卫星信号出现较大衰减时,应根据冰-水混合云的冰水含量比例,自适应调整量子卫星通信系统的各项参量,以提高量子卫星通信的可靠性.

雷暴云对星地量子链路性能的影响及参数仿真

为了研究雷暴云对星地量子链路信道的影响,根据雷暴云中大气带电粒子的消光截面与数目浓度分布函数,得到了粒子浓度、电荷密度与链路衰减系数的关系。建立了粒子浓度、电荷密度与信道容量、信道平均保真度、信道生存函数和量子密钥分发系统误码率之间的关系。仿真结果表明,雷暴云对星地量子链路性能有显著的影响。所以,应根据雷暴云的预报情况,自适应调整量子卫星通信系统的各项参数,以提高星地链路的可靠性。

空间尘埃等离子体对量子卫星通信性能的影响

为了研究尘埃等离子体中带电尘埃的粒子半径、粒子浓度和带电荷数对量子通信性能的影响,首先根据Mie散射理论得到单个带电尘埃粒子的光散射截面;然后通过粒子浓度求出总的消光截面,得出链路衰减的数学模型,提出了带电粒子特性与量子纠缠度的关系;针对退极化信道,当单个尘埃粒子所吸附带电粒子的个数为50时,给出了尘埃粒子半径、粒子浓度与信道容量和量子误码率的定量关系.仿真结果表明,当量子信号的传输距离为10km时,尘埃粒子浓度从1×10^(10) m^(-3)增加到10×10^(10) m^(-3),信道容量从0.6726降低到0.1075;尘埃粒子半径从0.1μm增加到10μm时,量子误码率由1.334×10^(-3)增加到5.309×10^(-3).由此可见,尘埃等离子体中带电尘埃粒子的半径和浓度对量子卫星通信性能有显著的影响.因此,为确保量子通信的可靠性,应根据所探测到的等离子体环境的状况,调整卫星通信系统的各项指标参数.

不同海面风速对量子卫星星舰通信性能的影响

量子卫星星舰通信是量子保密通信的重要应用场景之一,在海面上,由于不同风速所引起的气溶胶粒子浓度发生剧烈变化,而气溶胶粒子浓度的剧变,必然导致星舰量子链路性能的剧烈衰减.然而,有关不同海面风速与量子卫星星舰通信信道参数关系的研究,迄今尚未展开.本文根据海面风速与气溶胶的Gras模型,分别建立了风速与星舰量子信道误码率、信道容量和信道平均保真度的定量关系.仿真结果表明,当风速分别为4 m/s和20 m/s时,海洋大气信道误码率、信道容量、信道平均保真度分别依次为4.62×10^-3和4.91×10^-3、0.957和0.65、0.999和0.974.由此可见,风速对海上量子通信性能有显著的影响.因此,为了提高通信的可靠性,应根据风速大小,自适应调整系统的各项参数.

海洋矿物质颗粒对水下量子通信信道性能的影响

海洋矿物质颗粒是影响光子在水下传输的重要因素之一。为了研究海洋矿物质颗粒对水下量子通信信道性能的影响,建立了海洋矿物质颗粒群密度、传输距离与链路衰减的关系模型并进行了仿真。针对退极化信道,研究了矿物质颗粒群密度和传输距离与信道容量、信道误码率的关系并进行了仿真。仿真结果表明,当传输距离为50 m时,随着矿物质颗粒群密度的增大,链路衰减由0.098 dB增加到2.92 dB,链路效率由6.2×10^(-6)减小到2.7×10^(-7)。当矿物质颗粒群密度为1.0×10^(4) m^(-3)时,随着传输距离的增加,信道容量由0.97逐渐减小到0.6,误码率呈指数增大。由此可见,消光效应造成的影响在传输过程中不可忽略,在实际通信过程中,应根据环境情况及时调整传输设备的参数,保证通信质量。

海洋气溶胶对自由空间量子通信性能影响

海洋气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分之一,为了研究海洋气溶胶对量子通信的影响,根据海洋气溶胶粒子的尺度谱分布以及消光系数,分析海洋气溶胶粒子浓度和传输距离与链路衰减之间的定量关系,研究粒子浓度、传输距离与信道容量、信道保真度及信道误码率之间的关系并进行仿真模拟。仿真结果表明,当传输距离为8 km,海洋气溶胶粒子浓度分别为300/m^3和500/m^3时,对应的链路衰减、信道容量和信道误码率分别为0.407 dB/km和0.679 dB/km、0.423 bit/s和0.349 bit/s、0.027和0.092,当海洋气溶胶粒子浓度为500/m^3,传输距离分别为5 km和7 km时,对应的信道保真度分别为0.911和0.849。结果表明海洋气溶胶对自由空间量子通信的各项性能均有不同程度的影响。因此,当实际进行量子通信时,应根据海洋气溶胶粒子的浓度来调整各项性能参数以保证通信正常进行。

中层海水水色三要素对水下量子通信性能的影响

为了研究中层海水中水色三要素对水下量子通信性能的影响,首先根据水色三要素的吸收和散射模型,提出了海水中叶绿素浓度、光量子信号波长和水下量子链路衰减的关系;然后针对退极化信道,分析了叶绿素浓度、光量子信号波长与信道容量、信道平均保真度和信道误码率之间的定量关系。仿真结果表明,传输距离为20 m,当叶绿素浓度分别为0.5 mg/m^3和1.5 mg/m^3时,水下量子通信信道容量、信道平均保真度、信道误码率依次分别为0.263 1和0.142 3,0.705 2和0.553,0.037 05和0.029 17.当波长分别为400nm和800nm时,通信信道容量、信道平均保真度、信道误码率依次分别为0.229 1和0.428 3,0.914 2和0.943 7,0.012 36和0.006 87。由此可见,叶绿素浓度和光量子信号波长对水下量子通信性能有显著的影响。应根据对海水水色三要素的探测情况,自适应调整系统的各项参数。