[發明專利]用于自由空間量子信道性能的改進方法

有效

• 申請號: 201811096509.5
• 申請日: 2018-09-19
• 公開（公告）號: CN109361505B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 車志剛
• 申請（專利權）人: 陜西航天藍西科技開發有限公司
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/11;H04B10/70;H04B17/382;H04B17/391
• 代理公司: 西安毅聯專利代理有限公司 61225
• 代理人: 楊燕珠

本發明涉及用于自由空間量子信道性能的改進方法，包括以下步驟：地面站的發送終端發射單光子脈沖，單光子脈沖首先穿過大氣層，然后傳輸到衛星接收端；衛星接收端將獲得的單光子脈沖反射到地面站的接收終端，所述接收終端采用單光子探測器接收信號，獲取能量hv，能量hv觸發計數器工作并同時對單光子進行計數。本發明給出了在不同強度大氣湍流干擾條件下的單光子接收效率模型，另外接收終端選擇合適的天線孔徑可以確保更高的單光子接收率。

技術領域

本發明屬于通信領域，具體涉及用于自由空間量子信道性能的改進方法。

背景技術

單光子在自由空間量子通信信道傳輸過程中，其傳輸距離受到大氣環境以及實驗設備等障礙的限制。最關鍵的問題是由于大氣湍流所引起的光束漂移、展寬和變形，以及光學系統對單光子波束在外界環境傳輸的穩定性保障。同時，單光子波束在傳輸過程中還會受到地球上地理方面(曲率、地形、障礙等)的約束，以及來自大氣下層輻射的吸收。大氣湍流，即大氣運動的一種主要形式，是單光子在自由空間中傳輸的主要障礙。

根據傳輸信道的不同，量子通信可以劃分為兩大類，即光纖通信和自由空間量子通信。由于單光子探測器端的噪聲干擾以及單光子在量子信道傳輸過程中的鏈路損耗，光纖通信的最遠傳輸距離受到了很大的限制。因為大氣層的有效厚度約為5-10km，單光子在外太空傳輸過程中的能量衰減近似為0。因此，自由空間量子通信成為了實現全球化量子通信的最佳選擇。

發明內容

為了解決現有技術的問題，本發明公開了用于自由空間量子信道性能的改進方法，給出了在不同強度大氣湍流干擾條件下的單光子接收效率模型，另外接收終端選擇合適的天線孔徑可以確保更高的單光子接收率。

用于自由空間量子信道性能的改進方法，包括以下步驟：

地面站的發送終端發射單光子脈沖，單光子脈沖首先穿過大氣層，然后傳輸到衛星接收端；

衛星接收端將獲得的單光子脈沖反射到地面站的接收終端，所述接收終端采用單光子探測器接收信號，獲取能量hv，能量hv觸發計數器工作并同時對單光子進行計數；

在時間間隔[t₀,t₀+T]內，接收終端統計到n個單光子的概率p(n)可以表示為

其中，q為平均單光子數，可以表示為

這里，p代表接收終端單光子接收效率，T是光電子技術間隔，I(t)指的是接收終端的場強，其中t0代表某個時間點。

在本發明一個優選實施例中，接收終端單光子接收效率p被定義為：

p＝p_acq×K (3)

其中，p_acq表示望遠鏡天線孔徑的單光子捕捉率，K表示光脈沖信號透過大氣湍流的效率，即單光子脈沖的波動強度透射率。

在本發明一個優選實施例中，望遠鏡天線孔徑的單光子捕捉率可以表示為：

式中，a表示接收端望遠鏡的天線孔徑，L是單光子發射端與衛星接收端之間的傳輸距離，θ₀表示的是遠場發散角；

單光子脈沖的波動強度透射率可以表示為：

其中，A表示的是光圈面積，表示的是整個平面的歸一化強度。

在本發明一個優選實施例中，當傳輸距離為20km，接收端天線孔徑為50cm時，接收端的單光子捕捉率最大達到0.7506。