面向CVQKD量子-经典信号共纤传输技术研究

量子-经典信号共纤传输技术对实用化量子保密通信网络建设具有重要意义。针对经典光在光纤信道中的拉曼散射（RS）、四波混频（FWM）以及交叉相位调制（XPM）等非线性效应对量子信号的噪声干扰,构建了量子-经典信号共纤传输连续变量量子密钥分发（CVQKD）系统的安全密钥率仿真模型,重点分析了经典光功率、信道间隔和探测方式对系统噪声和密钥率的影响。结果表明,在近距离传输时,FWM噪声占主导地位,在传输距离大于10 km时,XPM噪声大于RS和FWM噪声。系统总噪声与经典光功率正相关,与波分复用信道间隔反相关。零差和外差检测下,随着传输距离的增加,安全密钥率整体变化趋势接近,零差检测方式具有更大的极限传输距离。该研究工作可为实用化量子-经典信号共纤传输CVQKD系统的优化设计提供参考。     

经典—量子信号共纤同传系统四波混频噪声分析

针对短距离、多用户的光纤网络集成量子密钥分发设备场景中量子信道与经典信道间隔较窄,经典光产生的四波混频噪声易对量子密钥分发性能产生严重影响的问题,构建了用于刻画四波混频效应导致离散变量量子密钥分发性能劣化的理论模型。通过OptiSystem和MATLAB联合仿真,深入分析对比了四种噪声抑制方案,实现了七路经典信号和一路量子信号10 Gbps数据速率的同向传输,经典信号的最小误码率为8.13×10~(-11),量子误码率最小可达到1.69%。研究结果对推动经典—量子信号共纤同传系统实用化进程具有重要意义。     

模式耦合对模分复用同传系统中量子误码率的影响

基于少模光纤模分复用的量子—经典信号同传方案中,光纤内的模式耦合效应会导致信道间发生串扰,造成误码。为此,构建了少模光纤分段化链路模型,研究了光纤拼接误差导致的模式耦合强度大小,并在此基础上推导了存在模式耦合时系统的量子误码率(QBER)公式。通过比较各模式所受到的耦合强度,确定该同传方案中量子信号的最优传输模式;进一步讨论了不同纤芯轴向偏移距离、扭转角度和光纤长度对系统QBER的影响。结果表明,这三个影响链路模式耦合强弱的因素都与QBER成正相关,光纤拼接误差较小的短距离量子—经典信号模分复用同传系统可有效降低QBER。     

无噪线性放大的连续变量量子隐形传态

连续变量量子隐形传态在实际的量子通信中起着至关重要的作用.然而,实际环境的噪声与损耗会导致量子纠缠的退化,极大地影响系统的传输性能,尤其是降低系统的传输距离,阻碍其实际应用.本文提出了无噪线性放大的连续变量量子隐形传态方案,利用无噪线性放大器对退化的纠缠源进行放大,从而补偿光纤损耗信道对纠缠源的衰减影响,提升系统的性能.本文详细分析了不同损耗信道和纠缠源情况下,无噪线性放大器的增益系数选取范围以及不同增益对方案性能的影响.仿真结果表明,本文提出的方案相比于原方案,在保真度和传输距离方面都有较大的提升.该研究结果为长距离连续变量量子隐形传态的实际应用提供了一种切实有效的方法.     

基于少模光纤单模工作的量子-经典信号同传

考虑到少模光纤单模工作时具有低非线性以及损耗、色散保持特性,提出基于少模光纤单模工作的量子-经典信号同传方案.使用Optisystem构建了基于少模光纤单模工作的量子-经典信号同传模型,分析了其传输性能,并与现有的基于单模光纤的量子-经典信号同传模型进行了对比.结果表明所提模型可以有效降低现有模型中的非线性效应和信号串扰,将误比特率降低了两个数量级,显著提高了信号的传输质量,可用于量子保密通信大规模网络化.     

量子Harper模型的量子计算鲁棒性与耗散退相干

运用量子轨迹和量子Monte Carlo仿真的方法，研究耗散退相干对周期驱动的量子Harper (quantum kicked Harper, QKH)模型量子计算的影响.数值仿真结果表明，一定强度的耗散干扰将破坏QKH特征状态的动态局域化以及相空间的随机网结构.以相位阻尼信道噪声模型为例分析了保真度的衰减规律以及可信计算时间尺度.与静态干扰相比，在干扰强度小于某一阈值时，耗散干扰下的可信计算时间尺度随量子比特的增加而快速下降；而在干扰强度大于该阈值时，静态干扰下的可信计算时间尺度下降更快.     

量子Harper模型的量子计算鲁棒性与耗散退相干

运用量子轨迹和量子Monte Carlo仿真的方法,研究耗散退相干对周期驱动的量子Harper (quantum kicked Harper, QKH)模型量子计算的影响.数值仿真结果表明,一定强度的耗散干扰将破坏QKH特征状态的动态局域化以及相空间的随机网结构.以相位阻尼信道噪声模型为例分析了保真度的衰减规律以及可信计算时间尺度.与静态干扰相比,在干扰强度小于某一阈值时,耗散干扰下的可信计算时间尺度随量子比特的增加而快速下降;而在干扰强度大于该阈值时,静态干扰下的可信计算时间尺度下降更快. 关键词： 量子计算 量子Harper模型 主方程 量子Monte Carlo方法     

基于软件定义量子通信的自由空间量子通信信道参数自适应调整策略

自由空间量子通信会受到雾霾、沙尘、降雨等自然环境的干扰.为提升环境干扰下量子通信的性能,本文提出了基于软件定义量子通信(software defined quantum communication, SDQC)的自由空间量子通信信道参数自适应调整策略.该策略通过对环境状态实时监测,根据预置在应用层的程序,对量子初始状态及单量子态存在时间等相关参数进行自适应调整,提高自然环境背景干扰下自由空间量子通信系统的保真度.仿真结果表明,在退极化、自发幅度衰变及相位阻尼三种噪声信道参数取值不同时, SDQC系统参数的最佳取值也不同.系统根据环境变化及业务需求,自适应地选择量子初始状态及单量子态存在时间,使量子保真度在通信过程中始终保持在峰值,有效提升了量子通信系统的适应能力及综合免疫力.     

基于Cluster态的受控隐形传态在不同噪声中的保真度分析及优化

在噪声信道上进行量子隐形传态的过程中,量子Cluster态(即团簇态)会发生消相干现象,造成隐形传态传输质量下降甚至传送信息失败。为克服该影响,本文提出了一种利用部分测量进行补偿优化的方法。首先分析了在五粒子团簇态所形成的量子信道上进行受控量子隐形传态的过程,然后推导了不同测量基下的量子坍塌态,最后成功接收发送方传送的信息。接下来,我们分析了在不同噪声信道上进行隐形传态对其性能的影响,并且依据部分测量的补偿机理提出保真度补偿的纠缠优化方法。仿真结果表明,相比于仅进行弱测量的纠缠补偿方法,本文使用的部分测量的方法可以实现更高的量子隐形传态保真度,此结论对提高噪声环境下的量子隐形传态保真度性能具有一定参考意义。     

高功率单模Er~(3+)∶Yb~(3+)共掺双包层光纤激光器

给出了单模输出的铒镱共掺双包层光纤激光器(EYDCFL)的数值分析及最新实验结果.基于速率方程及功率传输方程,对单模EYDCFL进行数值分析,从理论上对其性能进行优化.然后,在相同条件下进行了EYDCFL的实验研究.描述了输出激光功率随入纤泵浦功率和光纤长度的变化以及输出激光波长随光纤长度的变化.在光纤长度为6.3m时,获得了波长为1566nm、最大功率为2.2W的单模激光输出,整体光-光转换效率22%,这是目前国内用该类光纤获得的最高单模输出功率.     

CO-FBMC/OQAM系统导频辅助的时域相位噪声补偿

对1550 nm铒镱共掺光纤放大器不同温度下的输出功率以及经过高温老化后的输出功率和光谱进行了实验研究。通过对比高温和常温下铒镱共掺光纤放大器的输出功率随泵浦功率的变化曲线,得出铒镱共掺光纤放大器在高温环境工作可提高输出功率,且不同长度的增益光纤对温度的敏感性不同的结论。以Arrhenius模型为加速老化模型对增益光纤进行温度为85℃、时间为876 h的加速老化实验,结果表明在常温环境工作5 y后铒镱共掺光纤放大器的输出功率将降低11.24%,放大的自发辐射噪声将增加4.1 dB,根据指数模型预测得到该放大器的使用寿命为7.57 y,这些结果为改善光纤放大器的输出性能和寿命预测提供了理论基础和实验依据。     

基于钠铝硼硅酸盐玻璃的近红外宽带PbSe量子点光纤的光传输特性

用高温熔融二次热处理法,制备了钠铝硼硅酸盐PbSe量子点玻璃及量子点光纤。光纤中量子点的尺寸为4.73 nm±0.25 nm,吸收和辐射峰分别位于1450 nm和1500 nm。测量了量子点光纤的吸收谱、光致荧光(PL)光谱、PL峰值光强随抽运功率的变化,以及980 nm抽运功率在光纤中的衰减系数、PL峰值光强和PL峰值波长随光纤长度的变化。确定了量子点光纤随波长变化的衰减系数、抽运激励阈值功率和饱和功率。从能级跃迁、表面效应等方面解释了实验现象。     

基于单光子计数反馈的低噪声光纤信道波分复用实时偏振补偿系统

光纤信道由于受环境影响产生的随机双折射等物理效应使得在其中传输的光信号具有敏感的偏振变化,严重影响了偏振编码量子密钥分发系统的性能.本文提出了一种利用单光子计数作为反馈信号的低噪声光纤信道波分复用实时偏振补偿系统,该系统通过探测共轭参考光的光子计数得到光纤信道偏振变化信息,设计补偿算法控制电动偏振控制器实时校准对应偏振基下量子信号光的偏振态,成功实现了稳定的光纤信道偏振补偿.为验证补偿系统的有效性,进行了传输距离为25.2 km的基于BB84协议的量子密钥分发测试,在实验室环境和模拟城域网地埋光纤环境下得到了长达8 h的稳定测试结果,平均量子比特误码率分别为0.52%和1.25%.该实验结果表明本系统可在城域网地埋光纤环境下保障偏振编码量子密钥分发的稳定工作.     

基于袋鼠纠缠跳跃模型的量子状态自适应跳变通信策略

自由空间中的量子通信会不同程度上受到雾霾、沙尘等自然环境的干扰.为了研究提升此类干扰下量子通信的性能,本文分析了背景干扰下单量子态信道随时间演化的性能变化,并根据袋鼠纠缠跳跃模型(KEHM),提出了基于KEHM的量子状态自适应跳变通信策略,对其性能参数进行仿真.仿真结果表明,采取量子状态跳变,在背景量子噪声的平均功率与量子信号平均功率的比值为5的情况下,量子误比特率随着量子态跳频率从1增大到15,由0.4524降低到0.1116;当单量子态传输成功率0.95,量子比特率大于200 qubit/s时,不同态跳频率下量子比特的成功传输概率均大于0.97.当发送端信号源平均量子数足够大且接收端接收效率趋近于1时,量子态的通过率也趋近于1;采取量子态跳自适应控制策略,能够进一步降低系统的误码率.     

低浓度掺杂CdSe/ZnS量子点光纤光致荧光光谱特性研究

制备了一种半导体量子点CdSe/ZnS低浓度掺杂的光纤,测量了不同掺杂浓度和不同光纤长度下光纤出射端的光致荧光光谱,分析了掺杂光纤长度和浓度对量子点光纤荧光光谱特性的影响.结果表明,与掺入光纤前相比,光纤中的量子点荧光发射峰值波长出现红移.在掺杂光纤长度为1~20 cm和掺杂浓度为(0.33~2.5)×10－2mg/mL的实验范围内,红移量随着掺杂光纤长度的增加和掺杂浓度的提高而增大.对给定的激励功率,荧光发射峰值强度对应有一个最佳的量子点光纤长度.对于给定的量子点光纤长度,荧光发射峰值强度对应有一个最佳的量子点掺杂浓度.     

基于波长-模式双复用的量子保密通信系统

提出并设计了一种基于波长-模式双复用的量子保密通信系统,介绍了波长-模式双复用的基本原理,使用Optisystem搭建了系统模型并进行了10次发送实验,获取并分析了信号的时域波形和频谱图,验证了传输过程中信号波长和线偏振模式的稳定性,实现了系统中基于双不等臂马赫-曾德尔干涉仪方案的量子密钥分发过程,获得了经典光信号的误比特率、眼图以及品质因数。结果表明,此量子保密通信系统能够融合两种复用方式的优势,扩大信道容量,提高信号间的隔离度和正交性,有效减小非线性效应和信号间串扰,较好地保护量子-经典信号同传过程中的量子信号,证明了该量子保密通信系统有效可行。     

基于光纤光参量放大的异步双波长全光再生技术研究

本文提出了一种新型的多波长全光再生方案,利用相位时钟光纤光参量放大,并采用相邻信道偏振正交的方法,实现对由异步信源产生的双波长信号全光再生.理论分析了参量放大中的增益饱和现象用于幅度噪声抑制,以及利用相位时钟及后续色散实现对信号定时的机理.在这个基础上,对两个独立信源产生的异步双波长10Gbit/s信号进行再生实验,实验表明该方案有效的抑制了基于多波长3R再生系统中信道间的四波混频与交叉相位调制等非线性干扰.系统在单波长和双波长情况下分别将两路信号信噪比改善了至少6.5dB与4.5dB.误码率测试结果说明,与背对背测试结果相比,无论是在单波长还是双波长条件下,两路波长的信号经过再生后都实现了约2dB的接收机功率代价的改善.     

光纤混沌双芯双向保密通信系统研究

把量子阱激光混沌耦合反馈同步系统应用于光纤保密通信中,提出光纤混沌双芯双向保密通信设想.通过耦合外部光注入多量子阱激光混沌全光耦合反馈同步系统和光纤传输信道,建立了光纤混沌双芯双向通信系统物理模型.理论和数值证明了激光混沌同步,理论分析指出光纤中的自相位调制是限制激光混沌在光纤传输中同步的主要原因,并推导出混沌信号双芯双向传输中的非线性相移以及混沌激光功率限制和传输距离公式.数值实现了该系统在长距离二根光纤传输中的同步,详细地分析了系统同步时间随光纤传输长度的关系.模拟了调制频率06 GHz的混沌模拟通 关键词： 混沌 同步 光纤 保密通信     

较高掺杂浓度下CdSe/ZnS量子点光纤光致荧光光谱

制备了一种较高浓度掺杂的CdSe/ZnS量子点掺杂光纤.测量了不同掺杂浓度和不同光纤长度下的量子点光纤光致荧光光谱,得剑了荧光峰值增益最大时的量子点掺杂浓度和光纤长度.与低浓度掺杂光纤相比,较高掺杂浓度光纤中的荧光峰值光强明显提高.荧光峰值光强随光纤长度的变化在短距离内(L<1 cm)急剧上升,之后缓慢均匀下降.波长473 nm激励光强随光纤}乏度的变化呈指数形式衰减,消光系数为0.26～1.02 cm-1.在给定激励光强和激励波长的条件下,光纤中可达到最大荧光辐射的晕子点总数为一恒量.光纤中的荧光峰值波长存在红移,红移大小约8～15 nm,红移量与掺杂浓度以及光纤长度有关.这些实验结果可为今后量子点光纤放大器的研制提供参考.     

高功率单模Er3+∶Yb3+共掺双包层光纤激光器

给出了单模输出的铒镱共掺双包层光纤激光器（EY-DCFL）的数值分析及最新实验结果.基于速率方程及功率传输方程，对单模EY-DCFL进行数值分析，从理论上对其性能进行优化.然后，在相同条件下进行了EY-DCFL的实验研究.描述了输出激光功率随入纤泵浦功率和光纤长度的变化以及输出激光波长随光纤长度的变化.在光纤长度为6.3 m时，获得了波长为1566 nm、最大功率为2.2 W 的单模激光输出，整体光－光转换效率22％，这是目前国内用该类光纤获得的最高单模输出功率.