[發明專利]一種兼容接收與發射的量子通信系統

有效

• 申請號: 201210072962.9
• 申請日: 2012-03-19
• 公開（公告）號: CN102611508A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 王建宇;何志平;吳金才;賈建軍;舒嶸;楊海馬;袁立銀
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H04B10/30
• 分類號: H04B10/30;H04L9/08
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及量子通信及光通信技術領域，具體是指一種兼容量子光信號接收與發射的量子通信系統。

背景技術

保密通信是一種讓通信雙方在絕密狀態下交換信息的傳送方式，許多國家都非常重視保密通信的研究。在當今社會，保密通信已經是政府、銀行、公司和私人保護等信息交換的保障，隨著網絡、電子商務的推廣，保密系統的安全性顯得尤為重要。計算機的飛速發展使得破譯密碼的手段越來越高明，經典密碼術越來越顯現出它的局限性。而量子保密通信從量子力學不確定性原理和量子態不可克隆定理出發，提供了一種原理上絕對安全的全新的通信方式，也是量子信息領域最接近實用化的方向之一。量子通信技術的研究緊扣國家安全重大需求問題，可望大幅度提高信息傳輸的安全性、信息傳輸通道容量和效率等，是未來信息技術發展的重要戰略性方向，并極有可能引起諸多科學和技術領域的革命，對經濟和社會的進步產生難以估量的影響。國際上重要的發達國家，特別是美國、歐盟和日本均已投入大量人力物力致力于自由空間量子通信的理論和實驗研究。美國國家標準和技術研究所(NIST)已將量子通信作為三項重點研究方向之一；日本也已經將量子通信確定為21世紀國家戰略項目，計劃在2020年至2030年間建成絕對安全的高速量子通信網；而在歐洲，則成立了以英國、法國、德國、意大利、奧地利和西班牙等國在內的量子信息物理學研究網，并在2008年向歐洲空間局的生命和物理科學部提交了“Space-QUEST”實驗方案，打算在空間環境中引入量子糾纏，在國際空間站(ISS)實現星地量子通信實驗，這將開創自由空間量子通信和基礎物理研究的新時代。

近年來，量子通信研究進展迅速，遠距離量子通信則成為了國際激烈競爭的焦點，目前量子通信的技術手段主要包括：基于光纖通道、基于自由空間通道的量子傳輸。但由于光纖材料的限制，光纖的損耗和退相干效應無法避免，目前低損耗光纖的性能已經逼近理論極限，利用光纖在相距100公里以上的兩點建立量子信道變得非常困難。而自由空間量子信道是實現遠距離量子通信實驗的最為可行的方案之一，空間量子通信目前正處于從原理性研究走向實用化的關鍵時期。如何突破距離的限制在更廣域的范圍內實現量子通信過程成為擺在人們面前的難題，一旦取得突破將在整個量子通信研究領域產生極其深遠的影響。

本發明充分考慮自由空間量子通信的應用需求，基于簡單的孔徑分割原理，達到了對同一波長同時實現量子收發的目的，實現了一種兼容量子光接收與發射的量子通信系統的設計。

發明內容

本發明的目的在于滿足自由空間量子通信的應用需求，提供一種兼容量子光信號接收與發射的量子通信系統，系統可以實現同一個光學終端同時進行量子信號的接收與發射功能，滿足量子通信終端雙工的設計要求。

本發明針對實現自由空間量子通信終端進行雙工的設計需求，使用孔徑分割的方式來實現量子信號接收與發射的分離，并通過跟蹤系統來實現通信雙方的高精度對準，保證量子通道的暢通，從而實現量子通信的功能。本發明同樣適用于光通信中接收與發射信號的分離，實現光通信雙向工作的功能。

本發明的量子通信光學終端如附圖1所示，量子接收光與跟蹤光經過另一通信端發射后覆蓋本發明的通信系統，目標光經系統接收望遠鏡1收集后進入后光路，縮束后的光束被跟蹤反射鏡2反射后，再通過跟蹤光與量子光分色片3分光之后，各自進入到量子光接收通道及信標光接收通道，信標光被成像于跟蹤模塊4的相機中，通過成像光斑的位置信息控制跟蹤反射鏡2的反射角變化來實現跟蹤功能，量子接收光經過量子收發孔徑分割反射鏡5反射后進入量子接收處理單元6，經過相應的軟件處理得到量子密鑰信息；同時量子發射單元7首先對量子光進行編碼，編碼后的量子光通過量子收發孔徑分割反射鏡5的通光孔后，再經過跟蹤光與量子光分色片3及跟蹤反射鏡2反射后，經過主望遠鏡1壓縮發散角之后出射后，最終覆蓋另一端的量子通信光學終端。由于量子接收光、量子發射光及信標光都經跟蹤反射鏡2反射，跟蹤反射鏡2通過角度變化來實現跟蹤功能，確保3條光軸都始終對準通信的另一端。

本發明量子通信終端的具體工作過程描述如下：

1、當該量子通信終端作為接收端時，量子接收光與跟蹤光同時進入主望遠鏡1，縮束后的光束經過跟蹤反射鏡2反射后，再通過跟蹤光與量子光分色片3分光后，各自進入到量子通道及信標通道，量子接收光經過量子收發孔徑分割反射鏡5反射后進入量子接收處理單元6，信標光經過跟蹤模塊4的相機成像，根據成像光斑的位置變化來控制跟蹤反射鏡2的角度變化，使得量子接收軸與信標光的接收軸精確對準，從而保證量子接收處理單元6接收更多的量子信號來提高量子成碼；