[發(fā)明專利]一種基于圓偏振態(tài)編碼的全天時量子通信方法

有效

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• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108667528B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陸衛(wèi);王文娟;鹿建
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: H04B10/70
• 分類號: H04B10/70;H04B10/532;H04L9/08
• 代理公司: 上海滬慧律師事務(wù)所 31311
• 代理人: 李秀蘭

本發(fā)明公開了一種基于圓偏振態(tài)編碼的全天時量子通信方法，創(chuàng)新性地使用近紅外乃至更長波段附近2個波長極其接近的光子的左旋、右旋態(tài)作為兩對正交基矢，來替代傳統(tǒng)的線偏振編碼的直線基和對角基。相比于傳統(tǒng)的線偏振編碼技術(shù)，圓偏振單光子編碼技術(shù)能夠增強光量子傳播過程中對大氣環(huán)境的抗干擾能力，提高了信息的傳輸效率，有效降低探測時白天天空背景噪聲的影響，減少了密鑰傳輸?shù)恼`碼率。該方法能夠克服目前星地量子通信中線偏振態(tài)編碼方式給量子密鑰的傳輸效率和成碼率帶來的負面影響，是一種無需星地基矢校正的透云穿霧的量子通信新方法，為實現(xiàn)全天候星地量子通信提供了一條新的路徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子保密通信類，具體是指一種基于圓偏振單光子編碼的全天時星地量子通信方法。

背景技術(shù)

基于衛(wèi)星的量子通信脫離了光纖通道的束縛，在大氣或真空中傳遞信息，可以實現(xiàn)遠距離無線通信，能覆蓋全球范圍，是構(gòu)建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡(luò)最為可行的手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的成功發(fā)射，衛(wèi)星運行1年多以來，在國際上成功實現(xiàn)了首次星地量子通信，并取得了一系列重大研究成果，提前圓滿完成了三大既定科學目標：千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學非定域性檢驗、衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)、地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。這為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實驗研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，標志著量子通信技術(shù)已經(jīng)進入到衛(wèi)星時代。“墨子號”量子衛(wèi)星成功運行的同時，仍然面臨著一些重要的挑戰(zhàn)和難題迫切需要解決。

1、“墨子號”怕光的問題：“墨子號”十分“怕光”，目前的量子通信實驗，都是在晴朗的夜晚中完成的。“墨子號”為什么“怕光”呢？主要是因為量子通信的信息載體是單光子，是光的最小能量單元，探測單光子的單光子探測器對背景光極其敏感。目前量子通信實驗應(yīng)用的波段集中在800nm附近，這一波段在太陽光中的含量較大，白天陽光造成的噪聲，比夜晚要高5個數(shù)量級。白天進行量子通信是，攜帶有效信息的單光子會被淹沒在陽光的背景噪聲中。“墨子號”量子衛(wèi)星仍屬于低軌衛(wèi)星(軌道高度500公里到600公里左右)，相對地面飛行速度較快(約每秒鐘8公里)，每次過站時間小于10分鐘。大約有68％的時間暴露在陽光下，受陰雨天氣條件的限制，至少需要三天才能完成全球站點覆蓋。還無法滿足全天候全球化實時量子通信的需求，為了搭建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)，必須發(fā)射更多低軌或高軌的量子通信衛(wèi)星，組建星座，實現(xiàn)在地球上的任意地點均可進行量子通信。隨著星座中衛(wèi)星軌道升高，對地面覆蓋范圍增加，同時衛(wèi)星被太陽光照射的概率增大，如軌道高度36000km的地球同步軌道衛(wèi)星被太陽光照射的概率達99.4％。如何讓量子星座在太陽光背景下工作，盡可能的減小探測端受太陽背景噪聲的影響是空間量子通信急需解決的問題。實現(xiàn)白天自由空間遠距離的量子密鑰分發(fā)，證實了陽光下星地、星間量子通信的可行性，是通向量子通信星座的必經(jīng)一步。

2、較大的信道衰減：目前，對于千公里級的星地鏈路，信道衰減大約在40-50dB。這主要是由于大氣衰減、大氣散射、大氣湍流等對量子光吸收、束散角及偏振態(tài)的影響。大氣信道中的氣體分子、氣溶膠粒子、霧霾粉塵等會對光信號造成很大的衰減，大氣湍流造成的光束漂移、擴展、光斑破碎等現(xiàn)象會使光信號的強度發(fā)生起伏，同時給通信兩端的捕獲、對準和跟蹤帶來困難。大氣折射率隨海拔高度的變化，導致星地通信光束的傳輸路徑呈曲線，使通信兩端的對準出現(xiàn)偏差。具有相對運動的兩點進行通訊時,從發(fā)射端發(fā)射出來的光信號的兩個正交偏振方向相對接收端是變化的,進而給接收端的信號檢偏帶來困難。因此這就需要復雜的星地光路快速捕獲與高精度跟蹤瞄準技術(shù)、復雜光機系統(tǒng)高保真偏振調(diào)制技術(shù)等來確保星地鏈路的高效建立。復雜的光機系統(tǒng)增加了使用光學元件的數(shù)量，會進一步的增加光信號的衰減和誤碼率。

目前星地量子通信采用的量子光是采用線偏振態(tài)編碼，這種線偏振態(tài)的編碼方式會給量子密鑰的傳輸效率和成碼率帶來3方面的負面影響：

1光子在外太空傳播到大氣層是發(fā)生折射，導致通信光束的傳輸路徑發(fā)生變化，大氣折射率隨海拔高度和方位角的不同，變化呈曲線，使通信兩端的對準出現(xiàn)偏差，并且引起光子偏振態(tài)的變化。