基于蛛网结构的量子卫星广域网构建策略及性能仿真

量子卫星通信是通信领域的研究热点和前沿,具有理想的信息安全性和覆盖面广的优势,对于构建全球范围的量子卫星广域网具有重要意义,而远距离传输信息时网络的可靠性、安全性和路由中继等问题仍需改进.为了构建性能良好的量子卫星广域网,本文提出利用蜘蛛网作为一种独特的自然通信拓扑结构,将自然界蛛网演进为人工蛛网拓扑,量子信息的传输采用N阶量子隐形传态路由方案,其传输时延基本不变,在此基础上构建蛛网网络拓扑量子广域网传输模型,并对构建的网络模型的误码率、吞吐率、安全密钥生成率进行仿真分析.用抗毁度作为衡量网络拓扑结构可靠性的指标,以9节点环型网和9节点蛛网为例进行定量和定性分析,得出蛛网拓扑具有更高的可靠性.当噪声的平均功率谱密度给定且不存在中继时,量子态的传输距离越大误码率越大,这时要考虑引入中继;当传输距离和噪声功率谱密度一定的情况下,误码率随着中继节点个数的增多而减小,因此在蛛网拓扑下要选择合适的路由过程.随着量子卫星分发纠缠光子对成功概率的增大,吞吐率逐渐增加;随着网络中传输时延的增大,吞吐率逐渐减小,但在该路由方案下传输时延基本不变,且蛛网结构的传输时延很小,因此本文中提出的基于N阶量子隐形传态的蛛网网络拓扑量子广域网的吞吐率不会有明显的降低.当量子信息的传输距离不断增大时,网络密钥生成率逐渐减小;随着网络中继节点个数的增多,密钥生成率逐渐增加.由此可见,利用蛛网拓扑以及N阶量子隐形传态路由方案构建量子卫星广域网具有很好的优势.     

一种基于纠缠态的量子中继通信系统

提出了一种基于纠缠态的量子中继通信系统,该系统应用纠缠为基本资源.纠缠为量子隐形传态和绝对安全的量子通信提供了保证.量子中继器用来延长高纠缠度的纠缠光子对的纠缠距离,利用纠缠交换和纠缠纯化在系统的发信者与受信者之间建立光子对的纠缠.应用量子隐形传态的原理传输量子信息.系统分析表明,量子通信系统的吞吐率随着通信双方成功建立纠缠的概率增大而显著增加,量子信号的传输距离取决于量子中继节点的级数.     

基于纠缠交换的树形量子局域网传输模型

本文提出了一种基于纠缠交换的量子局域网络传输模型,结合传统通信网络的树形局域网模型,使用经典通信协议,并根据以太网IEEE802.3一般帧格式设置一种帧格式用来承载建立量子信道的控制信息。用户间依靠该局域网模型通过纠缠交换协议以及经典信道辅助传递控制信息来控制用户间量子信道的建立与释放,实现端到端量子信息的传输。对该网络的吞吐率进行分析表明,当节点时延为1μs,将传输过程中理想条件下的概率PSW、Pbel、Ptes设为0.8,则吞吐率随着网络中纠缠粒子生成概率Pbor增加而显著增加,最大为550kb/s;将传输过程中理想条件下的概率Pbor、Pbel、Ptes设为0.8,吞吐率也随着网络中纠缠交换成功概率PSW的增加而增加,最大为450kb/s;同时当节点时延每增加1μs,相同条件下的网络吞吐率将下降50%。因此,在将来量子局域网设置中应尽量提升纠缠交换过程的成功率,同时优化信道,降低经典信道的时延以提高量子局域网中的的系统吞吐率。     

非直视紫外光通信组网多用户干扰问题

针对空分复用的紫外光通信网络中链路间多用户干扰的问题.基于一组典型的通信链路模型,采用紫外光多次散射理论,应用蒙特卡洛方法对系统的误码率与通信节点间距离、链路间夹角、收发仰角等参量间的关系进行分析.结果表明:误码率随着通信节点间距离的增大而增大,发射功率为100mW时,通信距离应小于120m;随着链路间夹角的增大,误码率先减小后逐渐保持不变,然后又增大,链路间夹角在60°~120°内取值;接收端仰角和发射端仰角对误码率的影响几乎相同,即随着收发仰角的增大,误码率先减小后迅速增大,15°时误码率最小.     

基于伪态协议的量子密钥分配系统研究

采用包含两个伪态和一个信号态的双伪态协议分析了量子密钥分配系统的性能,比较了双伪态（真空态—弱伪态）和单伪态协议条件下密钥生成率与通信距离的关系,分析了信号态的强度、量子比特误码率、单光子的增益和单光子的误码率对系统密钥生成率的影响,得出密钥生成率的最优化条件,为实现实用安全的量子密钥分配系统奠定理论基础. 关键词： 伪态协议 量子密钥生成率 量子比特误码率     

基于最少中继节点约束的量子VoIP路由优化策略

量子信息的传输过程中,由于拥塞、链路故障等原因,导致数据分组在路由器排队,产生时延、丢包.为了保证量子Vo IP系统的性能,本文提出了基于最少中继节点约束的路由优化策略.采用基于纠缠交换的中继技术,通过优先选择最少中继节点的量子信道,实现多用户量子Vo IP通信.理论分析和仿真结果表明,当链路出现故障和拥塞时,基于M/M/m型排队系统,采用本策略,当设定量子比特的误码率为0.2,共用信道数目从4增加到8时,量子网络的呼损率由0.25下降到0.024,量子网络的最大吞吐量由64 kbps增加到132 kbps.当设定共用信道数目为4,控制量子比特的误码率从0.3到0.1时,可使量子网络最大吞吐量从41 kbps增加到140 kbps.由此可见,本策略能够极大地提高量子Vo IP网络的性能.     

噪声情况下的量子网络直接通信

提出和研究了噪声情况下的量子网络直接通信. 通信过程中所有量子节点共享多粒子Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)量子纠缠态; 发送节点将手中共享的GHZ态的粒子作为控制比特、传输秘密信息的粒子作为目标比特, 应用控制非门(CNOT)操作; 每个接收节点将手中共享GHZ 态的粒子作为控制比特、接收到的秘密信息粒子作为目标比特, 再次应用CNOT门操作从而获得含误码的秘密信息. 每个接收节点从秘密信息中提取部分作为检测比特串, 并将剩余的秘密信息应用奇偶校验矩阵纠正其中存在的比特翻转错误, 所有接收节点获得纠正后的秘密信息. 对协议安全、吞吐效率、通信效率等进行了分析和讨论.     

简并能级系统中的量子相干效应与暗态

文章分析了简并二能级原子系统Fg=1→Fe=0中的吸收、色散特性与暗态的对应关系,比较了双Λ型和Λ型能级结构下的量子相干效应.结果表明,双Λ型系统中多个基态相干性会增强原子相干特性.     

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.     

量子密钥分配系统中的通信速率和误码率

基于通信速率和误码率在量子保密通信研究中的重要性, 采用1.55 μm上转换单光子探测器, 分析其量子效率随抽运功率的变化关系, 得出1.55 μm上转换单光子探测器较传统的铟镓砷二极管具有较高的量子效率和较低暗计数的优势, 并根据通信距离、上转换单光子探测器的量子效率和暗计数之间建立一种平衡, 得出每种距离上探测器的优化方案; 在考虑个体攻击无量子记忆的条件下, 比较BB84协议, BBM92协议和差分相移协议的量子密钥分配(QKD)系统的安全通信速率和误码率随通信距离的变化关系, 得出了差分相移键控协议的量子密钥分配系统是一个非常实用的, 通信距离大于200 km的很有吸引力的长距离量子密钥分配系统。     

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1.0×104 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.     

量子Turbo乘积码

量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科.量子纠错编码是实现量子通信的关键技术之一.构造量子纠错编码的主要方法是借鉴经典纠错编码技术,许多经典的编码技术在量子领域中都可以找到其对应的编码方法.针对经典纠错码中最好码之一的Turbo乘积码,提出一种以新构造的CSS型量子卷积码为稳定子码的量子Turbo乘积码.首先,运用群的理论及稳定子码的基本原理构造出新的CSS型量子卷积码稳定子码生成元,并描述了其编码网络.接着,利用量子置换SWAP门定义推导出量子Turbo乘积码的交织编码矩阵.最后,推导出量子Turbo乘积码的译码迹距离与经典Turbo乘积码的译码距离的对应关系,并提出量子Turbo乘积码的编译码实现方案.这种编译码方法具有高度结构化,设计思路简单,网络易于实施的特点. 关键词： CSS码 量子卷积码 量子Turbo乘积码 量子纠错编码     

光纤色散与损耗对光量子密钥分发系统的影响

运用量子薛定谔方程，通过计算传输光场干涉强度和分析量子密钥分发系统的误码率，研究了光纤色散和损耗对量子密钥分发系统误码率的影响.研究表明，在目前的基于光纤的量子密钥分发系统中，选择色散位移光纤并以损耗最小波长1.55 μm为工作波长，同时缩短脉冲宽度，可以有效提高量子密钥系统的传输距离. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 光纤色散 光纤损耗     

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。     

降雪对地表附近自由空间量子信道的影响及参数仿真

量子通信具有覆盖面广、安全保密的优势,是当前通信领域国内外的研究热点.在自由空间量子通信过程中,光量子信号需要在地表上空一定高度进行传输,因此各种环境因素,例如降雪、沙尘暴、降雨、雾霾、浮尘等,不可避免地会影响量子通信性能.然而,迄今为止,降雪对地表附近自由空间量子信道影响的研究尚未展开.为此,根据降雪的强度,将降雪分为小雪(S1)、中雪(S2)、大雪(S3)和暴雪(S4)四个等级.由于空中正在飘落雪花对光量子信号具有能量吸收作用,称为消光效应,不同强度的降雪,其消光效应对自由空间光量子信号的影响不同.本文首先建立了不同等级降雪对光量子信号消光效应的数学模型;然后建立了因降雪导致的自由空间消光衰减定量关系,信道极限生存函数、不同降雪强度下的信道容量和量子误码率等性能参数受降雪影响的变化情况;最后建立了降雪强度、传输距离与链路衰减、幅值阻尼信道容量、信道生存函数以及信道误码率的数学模型.仿真结果表明,当降雪强度为2.1 mm/d(S1),传输距离为2.2 km时,通信链路衰减为0.0362,信道容量为0.7745,信道生存函数为0.2329,信道误码率为0.0105.当降雪强度为3.8 mm/d(S2)。传输距离为3.5 km时,通信链路衰减为0.1326,信道容量为0.4922,信道生存函数为0.2099,信道误码率为0.019.由此可见,降雪对量子通信性能有不同程度的影响.所以在实际应用中应根据降雪强度大小,自适应调节量子通信相关参数,提高量子通信的可靠性.     

850nm光纤中1.1km量子密钥分发实验

在850nm波长完成了一个全光纤量子密钥分发系统原型.该系统以单光子为信息载体,以光纤为量子信道,在通信双方建立起共享的密钥,从而完成量子密钥的分发,其安全性由量子力学基本原理——不确定性原理和量子不可克隆定理所保证.所采取的信息调制方式为相位调制,通信协议采取BB84协议.通信距离为1.1km,有效数据传送速率为3bit/s,误码率为9%左右     

奇相干光源的测量设备无关量子密钥分配研究

刻画了奇相干光源的光子数分布特征,研究了奇相干光源下诱骗态测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率与安全传输距离的关系,推导了奇相干光源下的计数率下界和误码率上界.仿真结果表明,奇相干光源光子数分布中多光子脉冲的比例低于弱相干光,可以有效提高诱骗态测量设备无关密钥分配系统的最大安全通信距离,为实用的量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

850nm光纤中1.1km量子密钥分发实验

在850nm波长完成了一个全光纤量子密钥分发系统原型.该系统以单光子为信息载体,以光纤为量子信道,在通信双方建立起共享的密钥,从而完成量子密钥的分发,其安全性由量子力学基本原理——不确定性原理和量子不可克隆定理所保证.所采取的信息调制方式为相位调制,通信协议采取BB84协议.通信距离为1.1km,有效数据传送速率为3bit/s,误码率为9%左右.     

多粒子纠缠态QTDM通信方案及QMU协议

分析了未知的三个三态粒子纠缠态的隐形传送过程,结合纠缠源的特性,提出了量子信道时分复用方案.同时还提出了一种可传送多粒子纠缠态的量子时分多路通信方案和量子多用户协议.研究结果表明,该方案与采用BB84协议的量子通信系统相比,不仅能够实现量子多用户安全保密通信,而且误码率低.     

基于弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的误码率分析

测量设备无关量子密钥分发系统可以免疫任何针对探测器边信道的攻击, 并进一步结合诱惑态方法规避了准单光子源引入的实际安全性问题. 目前实验中一般采用弱相干光源, 但是该光源含有一定比例的空脉冲和多光子脉冲. 本文针对弱相干光源的具体特性, 采用量子力学的描述, 将各个器件进行量子化处理, 并同时考虑探测器的具体性能参数的影响, 分别给出了通信双方各自发送的脉冲含有特定光子数时产生的成功贝尔态和错误贝尔态的概率公式, 从理论上对相位编码和偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统的误码率进行了定量分析, 分别推导并模拟了通信双方采用的平均光子数对称和不对称时误码率随传输距离的变化情况, 结果表明在偏振编码Z基中, 多光子脉冲不会引起误码; 在偏振编码X基和相位编码中, 受多光子影响, 产生的误码率较大. 对于不同的编码方式, 误码率均随传输距离的增加有不同程度的升高, 长距离传输时, 平均光子数越小, 产生的误码率越大; 在偏振编码X基和相位编码的短距离传输中, 相对于对称, 通信双方采用的平均光子数不对称时产生的误码率较大.