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...     

基于DWDM的经典-量子信息共信道同传系统噪声分析

经典-量子信息共信道同传是光纤量子密钥通信中的关键应用技术。为解决同传系统在复杂的背景噪声环境下的传输效率问题,通过剖析基于DWDM的共信道同传系统中典型噪声干扰因素,对该系统中DWDM信道串扰及自发拉曼散射噪声建立模型,仿真计算不同光纤长度及不同波长信道下噪声干扰对系统的影响。分析结果表明,在初始功率恒定的情况下,系统噪声不会随光纤长度增加而无限积累,而是趋于恒定数值;而在接收功率恒定的情况下,系统噪声随光纤长度增加不断增长。从信道的波长角度看,处于低噪声环境的经典与量子信道波长符合密集波分复用要求。根据ITU-T建议下的DWDM信道间隔,在经典-量子信道波长间距为1.6nm时,系统性能最佳,该仿真结果与经典实验的结论相吻合。     

离散调制连续变量量子密钥分发的安全边界

对一种结合离散调制和反向协调,适用于长距离传输的连续变量量子密钥分发四态协议的安全性进行了严格证明.这种协议中Alice发送的态与高斯调制协议中的有一定差异,这种差异可以等价成信道衰减和额外噪声.另外,由于Alice不可能做到精确调制,这会导致其发送的相干态中含有噪声.把这种调制引起的噪声看作光源的噪声,并推导出了在光源噪声不能被窃听者所利用的条件下的安全码率的下界.为了避免实验上快速、随机的控制本地振荡光的相位,还将无开关协议和四态协议相结合,分析了其安全性.     

面向空间平台的小型化量子纠缠源

随着量子信息科学的迅速发展,以光子为物理载体的量子纠缠源已成为量子非定域性检验、量子通信、量子计算以及量子精密测量等领域必不可少的资源和重要技术手段。利用非线性介质中的自发参量下转换过程,从早期的β相偏硼酸钡晶体到后来的基于准相位匹配的周期性极化晶体等,双光子极化纠缠源凭借其在亮度和品质方面的优势得到了快速发展,这为基于卫星平台的广域量子通信和量子物理的基础检验提供了可能。从基本原理出发,系统介绍了近年来面向空间平台应用的量子纠缠源的发展和最新成果,特别是以“墨子号”量子科学实验卫星为代表的星载量子纠缠源载荷;此外,对国际上近几年关于星载量子纠缠源的进展以及未来发展趋势也进行了较为全面的介绍和分析。     

基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发

在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐,无需借助软件算法实现数据的对齐.本文采用了加拿大滑铁卢大学Norbert Lütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法.该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩,以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率.计算过程中无需假设信道为线性信道,无需额外噪声的估算.密钥分发系统重复频率为10 MHz,传输距离为25 km,平均安全密钥比特率为24 kbit/s.本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步,减小了系统的复杂度和计算量,在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积,有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.     

利用无噪线性光放大器增加连续变量量子密钥分发最远传输距离

如何提高实际量子密钥分发系统的安全码率和最远传输距离是量子密码学领域重要的研究课题. 本文采用量子无噪线性光放大器放大量子信号, 以改进连续变量量子密钥分发系统实际性能. 经仔细研究, 本文发现增益系数为g的线性无噪放大器可将连续变量量子密钥分发系统的最远安全传输距离提高20 log₁₀(g)/a km (a=0.2 dB/km为光纤信道的损耗系数), 并改善系统的安全码率和噪声抗性. 关键词： 量子密钥分发 连续变量 最远传输距离 线性无噪放大器     

基于原子系综四波混频过程的量子信息协议

与经典体系相比,量子信息协议在大幅提高信息处理的安全性、保真度和容量方面具有巨大的优势。各种具有不同功能的量子信息协议已经被提出并实现。介绍了利用铷原子四波混频过程构建一套能兼容多种不同量子信息协议的多功能平台。基于这个平台可以实现并行9通道全光量子隐形传态,部分无实体量子态传输和最优N→M相干态量子克隆协议。更重要的是,部分无实体量子态传输协议可以同时连接全光量子隐形传态协议和最优1→M相干态量子克隆协议。这些量子信息协议在全光量子通信中具有潜在的应用。     

高速连续变量量子密钥分发系统同步技术研究

在高速连续变量量子密钥分发系统中,位帧同步技术是确保准确获取量子信号所携带有效信息的核心技术之一。结合平衡零差探测器测量相干态的正则分量数据,提出了一种简单高效的位帧同步理论方案。基于此理论方案,在重复频率为25MHz的高斯调制相干态连续变量量子密钥分发系统上进行了实验测试和性能分析。结果表明,所提出的位帧同步方案能有效克服量子信号在密钥分发中受到的环境因素影响,有效实现通信双方同步。     

级联四波混频系统中纠缠增强的量子操控

各类系统中的纠缠操控是量子信息科学的重要问题之一.本文研究了热原子蒸气的级联四波混频过程中产生的纠缠增强及纠缠增强的相位敏感特性.研究表明,该级联四波混频过程第二级输出的探针光和共轭光的量子纠缠较第一级明显增强,最大可达5 dB以上,且随着强度因子的增大可实现完美纠缠.文中还详细讨论了量子关联类型及纠缠大小与抽运光相位、非线性强度因子之间的变化关系,结果显示,由于纠缠增强及纠缠类型对抽运光相位的敏感性,通过控制相位和强度因子可改变光场噪声特性从而实现对探针光和耦合光之间纠缠增强、纠缠度大小、纠缠类型的量子操控.该理论研究对实验实现纠缠增强及双模压缩态压缩角、压缩度的光学参量操控具有重要的指导意义.     

混合溶液中CARS过程的非共振信号实验研究

相干反斯托克斯拉曼散射是一种非线性四波混频效应,但是通过探测共振信号不易进行物质成分的定量光谱分析。本文利用单频相干反斯托克斯拉曼散射光谱分析法,对不同体积比混合的乙醇溶液在远离双光子共振跃迁及其远离溶质与溶剂的特征拉曼共振态位置进行了光谱探测。通过对实验结果进行分析发现,在共振位置2 876 cm-1的信号强度随混合溶液中的乙醇的体积比增加而增加,呈二次方关系。而在远离共振态位置的非共振信号强度随混合溶液中乙醇的体积比增加而增加,且呈线性关系,进而说明了非共振信号强度随着分子数浓度N呈线性变化关系。因此,通过探测非共振信号强度与分子数浓度关系可以为混合物中特定成分的定量光谱分析提供一种研究途径。     

利用交叉相位调制和四波混频制作的时间透镜的仿真分析

利用高非线性光纤中的交叉相位调制和四波混频分别在仿真中实现了时间透镜. 对基于交叉相位调制的时间透镜中的高非线性光纤中的非线性过程进行了仿真分析. 仿真结果表明, 该时间透镜的主要影响因素为色散、自相位调制与四波混频; 通过采用带有一定色散斜率的高非线性光纤可同时消除色散、自相位调制和四波混频的影响; 另外, 该高非线性光纤的色散零点最好选在信号脉冲和抽运脉冲波长的中心附近. 然后对基于四波混频的时间透镜的实现进行了仿真分析. 仿真结果表明, 该时间透镜的主要影响因素为色散、 自相位调制和其他的四波混频; 通过设定合适大小的信号脉冲和抽运脉冲的功率可消除自相位调制和其他的四波混频的影响; 另外, 通过在高非线性光纤中引入一定的色散可进一步提高信号脉冲和抽运脉冲的功率, 从而获得更高功率的输出脉冲. 最后对两种时间透镜系统做出了比较. 关键词： 光脉冲压缩 时间透镜 交叉相位调制 四波混频     

大信号布里渊增强四波混频理论研究

针对高功率激光相位共轭装置的应用需求,阐述了布里渊增强四波混频（BEFWM）在这一领域的应用潜力,并就该大信号强相互作用条件下BEFWM的作用机理及输出特征进行了系统的理论研究,揭示了BEFWM瞬态响应速度、共轭光波形保真度及稳定性、能量转换效率均随注入信号光的增强而提高的作用特点,为该技术在中高强度激光相位共轭系统中的实际应用提供了理论依据。     

大信号布里渊增强四波混频理论研究

 针对高功率激光相位共轭装置的应用需求,阐述了布里渊增强四波混频（BEFWM）在这一领域的应用潜力,并就该大信号强相互作用条件下BEFWM的作用机理及输出特征进行了系统的理论研究,揭示了BEFWM瞬态响应速度、共轭光波形保真度及稳定性、能量转换效率均随注入信号光的增强而提高的作用特点,为该技术在中高强度激光相位共轭系统中的实际应用提供了理论依据。     

相位-偏振编码的量子保密通信系统的研究

提出了一种新型的量子信息编码和解码新方法，并用全量子力学方法，对这种量子信息编码 技术进行了系统的理论分析.根据态叠加原理，可以用两个正交的偏振态，通过偏振干涉方 法合成一个新的偏振态.这个合成的偏振态由两个正交偏振态的相位差决定.改变相位差，就 可以合成各种不同的偏振态.而相位差的改变可以通过相位调制器来实现，从而可以用相位调制方法，实现对光子偏振态的编码和解码.这种方法可以随机地制备各种非正交偏振态， 也可以随机地产生各种非正交偏振态测量基，对各种非正交偏振态的光子进行检测和解码. 这种编码方法既具有相位编码方法传输距离大的优点，同时又克服了该方法信息损失过半的 缺点，还可以对光子的位相和偏振态进行精确补偿，有效地降低误码率. 关键词： 量子密钥分配 相位编码 偏振编码     

半导体光放大器的光-光互作用及其应用

半导体光放大器（SOA）中的非线性系数约为普通光纤的10^9，为光子晶体光纤的10^7，而且有4种光-光互作用，即交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制（XPM）、交叉偏振调制（XSM）及四波混频（FWM），可以灵活地组成各种光信号处理器件，如波长变换器、全光触发器、全光逻辑、全光时钟恢复、全光缓存器……等，正成为整个光信号处理的基础。文章介绍了它们的原理和简单应用。     

半导体光放大器的光-光互作用及其应用

半导体光放大器(SOA)中的非线性系数约为普通光纤的109,为光子晶体光纤的107,而且有4种光-光互作用,即交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制(XPM)、交叉偏振调制（XSM）及四波混频（FWM）,可以灵活地组成各种光信号处理器件,如波长变换器、全光触发器、全光逻辑、全光时钟恢复、全光缓存器……等,正成为整个光信号处理的基础。文章介绍了它们的原理和简单应用     

基于旋光-双反射结构的星载量子密钥分发精跟踪系统控制算法研究

研究了旋光-双反射结构作为星载量子密钥分发终端的精跟踪系统时的反射光偏振态保持情况,分析了反射光面(由入射光和反射光适量确定)不一致导致的反射光子偏振态变化情况,并计算了此时可能引入的量子误码率。根据双反射结构的特点,给出了两个反射镜法线方向与入射光、出射光矢量之间的关系,并据此提出了旋光-双反射结构的卫星精跟踪系统控制算法。     

光时分复用准线性传输系统的非线性相互作用

研究了高速色散控制准线性传输系统中的信道内交叉相位调制和信道内四波混频等非线性相互作用,分析了信道内交叉相位调制导致定时抖动和信道内四波混频导致振幅抖动随距离和色散分布强度变化的规律,然后运用快速傅里叶变换法分析了信道内交叉相位调制导致的2^5-1的伪随机码流的定时抖动和振幅抖动及寄生脉冲的产生．证实了理论分析。最后通过数值模拟实现了色散分布强度为127的强色散控制系统中准线性脉冲序列1600km的稳定传输,结论对用标准单模光纤实现高速传输具有重要意义。