灰霾背景下基于最优链路的低轨道量子卫星星间切换策略

为了应对灰霾对星地量子通信信道所带来的突发性干扰,根据灰霾天气下量子信号在自由空间中的衰减指数,本文提出了一种基于信号功率衰减最低的最优链路量子卫星切换策略。当目前的星地链路参数满足切换条件时,地面用户通过对不同信道中量子信号功率衰减系数的比对,测试到最小衰减卫星链路,基于对光子态Bell基的测量,完成卫星间的量子纠缠交换,建立新的纠缠信道,保证通信在切换过程中的连续性。仿真结果表明,当系统呼损率为5%,能见度为1km,地面用户数分别为50、100、300,轨道高度为300km和1400km时,量子卫星的切换成功率分别为95%、93.6%、91.8%和92%、90%、87%。由此可见,本策略能够在保证通信可靠性的前提下,实现星地间量子信道的平稳切换,提高量子卫星通信系统在灰霾背景下链路的有效性。     

基于纠缠度计算的量子移动信令相邻小区越区切换策略及仿真

信令是任何通信系统必不可少的重要组成部分,量子移动通信也不例外.然而,关于量子移动通信信令在相邻小区越区切换过程中的切换策略问题的研究迄今尚未展开.随着移动用户位置的改变,用户与基站间的纠缠度不断变化.本文提出了基于纠缠度计算的量子信令在相邻小区的越区切换策略.首先定义了信令纠缠度与距离的关系,然后研究了用户位置改变所导致用户与基站之间信令纠缠度的变化情况,提出了基于纠缠度阈值计算的切换算法.仿真结果表明,本文所提出的信令切换策略可靠性高,能够在各基站之间实现平稳切换.因此,本研究对于构造量子移动通信网络的信令系统及其标准的制定具有极为重要的技术支撑作用.     

基于纠缠度计算的量子移动信令相邻小区越区切换策略及仿真

信令是任何通信系统必不可少的重要组成部分,量子移动通信也不例外.然而,关于量子移动通信信令在相邻小区越区切换过程中的切换策略问题的研究迄今尚未展开.随着移动用户位置的改变,用户与基站间的纠缠度不断变化.本文提出了基于纠缠度计算的量子信令在相邻小区的越区切换策略.首先定义了信令纠缠度与距离的关系,然后研究了用户位置改变所导致用户与基站之间信令纠缠度的变化情况,提出了基于纠缠度阈值计算的切换算法.仿真结果表明,本文所提出的信令切换策略可靠性高,能够在各基站之间实现平稳切换.因此,本研究对于构造量子移动通信网络的信令系统及其标准的制定具有极为重要的技术支撑作用.     

基于泊松分布单光子源的量子误码率的分析

在自由空间量子密钥分配中,单光子源采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲,量子密码术协议采用BB84和B92协议。通过引入量子信道传输率、单光子捕获概率、测量因子和数据筛选因子,建立了量子误码率理论模型,给出了量子误码率的表达式。对于自由空间量子信道,引起量子误码率的主要因素是光学元件、探测器暗噪声和空间光学环境,并对这些因素进行了分析。针对低轨卫星_地面站间链路,进行了量子误码率的数值仿真研究。结果表明,在低轨卫星_地面站间进行量子密钥分配是可行的,限制自由空间量子密钥分配链路距离的主要因素是探测器暗噪声和空间光学环境。     

星-地量子密钥分发链路持续时间分析与仿真

链路持续时间是影响卫星量子密钥分发量子比特率的重要参数.文章分析了影响星-地单光子和纠缠光子量子密钥分发链路持续时间的若干因素,并且进行了数值仿真研究.结果表明,随着轨道高度的增加或者地面最小通信仰角的减小,单光子和纠缠光子链路的持续时间有较大的改善;单光子链路时地面站同卫星星下点轨迹间的距离和纠缠光子链路时两地面站之间的距离也均是影响链路持续时间的重要参数;纠缠光子链路持续时间的影响因素较单光子链路更为复杂,其最终决定于卫星星下点轨迹同两地面站之间的位置关系.     

基于厄米-高斯光束的单光子捕获理论研究

从光波电磁场方程的TEM10和TEM01模厄米-高斯光束出发,推导了自由空间量子密钥分配的单光子捕获概率表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路,进行了单光子捕获分析.理论研究表明,对于低轨卫星-地面站间量子密钥分配,采用TEM10和TEM01模厄米-高斯型高度衰减激光脉冲作为单光子源是可行的.     

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.     

量子相空间中对称受驱双势阱系统的量子隧穿动力过程

本文以纠缠轨线分子动力学方法研究对称受驱双势阱系统的量子隧穿动力学过程.驱动力的幅度和频率改变将对量子隧穿动力学过程产生巨大的影响,这为人们自主控制这一重要的过程提供理论基础.当体系的经典动力学呈现混沌状态时,它的量子动力学过程将发生显著的变化.在强驱动力作用下,双势阱系统的量子共振频率隧穿和非共振频率隧穿因为混沌行为的出现明显增强.通过对比相空间中具有相同初始态的纠缠轨线和经典轨线演化,我们给出量子隧穿过程清晰的物理图像.最后,我们讨论量子隧穿动力学过程中体系不确定度的演化和反映波包动力学过程的自关联函数演化.     

负值量子条件熵与双量子系统一类混合态纠缠量度

运用负值量子条件熵研究了双量子系统一类混合态的纠缠量度.给出了负值量子条件作为条件熵纠缠度的定义，证明了条件熵纠缠满足作为2×2系统一类混合纠缠态量度的四个基本条件.当双量子系统处于纯态时，条件熵纠缠度即为部分熵纠缠度.应用条件熵纠缠度研究了真空腔场中两全同二能级原子之间纯态和一类混合态纠缠的时间演化，比较了相同条件下两全同原子系统concurrence纠缠度的时间演化.结果表明，两纠缠度演化规律完全一致，验证了负值量子条件熵可以作为双量子系统纯态和一类混合态的纠缠量度. 关键词： 双量子系统 负值量子条件熵 条件熵纠缠度 混合态纠缠度     

量子移动通信中纠缠信令越区切换策略及仿真

量子移动通信是量子力学与移动通信相结合的崭新的通信技术,具有灵活、高效、安全、保密的优势.本文提出了基于纠缠度计算的同小区内不同扇区天线之间纠缠信令的越区切换策略.研究了量子移动通信终端与天线纠缠度随距离及角度变化关系.在此基础上,对信令的越区切换进行了建模仿真.结果表明,本文所提出的纠缠信令切换策略可靠性高,对于对构建未来量子移动通信系统及其信令标准的制定具有重要的技术支撑作用.     

量子移动通信中纠缠信令越区切换策略及仿真

量子移动通信是量子力学与移动通信相结合的崭新的通信技术,具有灵活、高效、安全、保密的优势.本文提出了基于纠缠度计算的同小区内不同扇区天线之间纠缠信令的越区切换策略.研究了量子移动通信终端与天线纠缠度随距离及角度变化关系.在此基础上,对信令的越区切换进行了建模仿真.结果表明,本文所提出的纠缠信令切换策略可靠性高,对于对构建未来量子移动通信系统及其信令标准的制定具有重要的技术支撑作用.     

非球形气溶胶粒子及大气相对湿度对自由空间量子通信性能的影响

当量子光信号在自由空间中传输时,不可避免地会穿过大气,而存在于大气的气溶胶的光散射与吸收必然会影响量子光信号的传输.本文根据气溶胶粒子谱分布及其消光系数,提出了圆柱形、椭球形、Chebyshev三种非球形气溶胶粒子与链路衰减、量子纠缠度的关系;分析了大气相对湿度与量子纠缠度、保真度的定量关系.仿真结果表明,圆柱形、椭球形、Chebyshev三种非球形气溶胶粒子对链路的衰减程度依次递增;随着圆柱形、椭球形粒子的取向比和Chebyshev粒子的等效半径的增加,纠缠度呈不同的变化趋势;当大气相对湿度为0.2和0.9时,纠缠度和保真度分别为0.72,0.32和0.75,0.22.由此可见,非球形气溶胶粒子及大气相对湿度对量子通信系统的性能影响极大.所以,在实际的量子通信系统中,应根据不同非球形气溶胶粒子和大气相对湿度,自适应调整系统的各项参数,以提高量子通信的可靠性.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM10模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析.结果表明:采用可高度衰减激光脉冲的TEM10模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子.与基模高斯光束相比,采用TEM10模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗.     

多跳噪声量子纠缠信道特性及最佳中继协议

在量子通信网络中, 最佳中继路径的计算与选择策略是影响网络性能的关键因素. 针对噪声背景下量子隐形传态网络中的中继路径选择问题, 本文首先研究了相位阻尼信道及振幅阻尼信道上的纠缠交换过程, 通过理论推导给出了两种多跳纠缠交换信道上的纠缠保真度与路径等效阻尼系数. 在此基础上提出以路径等效阻尼系数为准则的隐形传态网络最佳中继协议, 并给出了邻居发现、量子链路噪声参数测量、量子链路状态信息传递、中继路径计算与纠缠资源预留等工作的具体过程. 理论分析与性能仿真结果表明, 相比于现有的量子网络路径选择策略, 本文方法能获得更小的路径平均等效阻尼系数及更高的隐形传态保真度. 此外, 通过分析链路纠缠资源数量对协议性能的影响, 说明在进行量子通信网设计时, 可以根据网络的规模及用户的需求合理配置链路纠缠资源.     

费米环境中两个三能级原子系统的纠缠演化

利用负性纠缠度(negativity)研究了两个三能级原子系统在费米环境中的纠缠演化问题-结果表明,两个三能级原子系统的纠缠演化不仅依赖于系统和环境的相互作用强度,而且还依赖于系统所处的具体量子态-通过例子发现,系统和环境相互作用强度越大,纠缠衰减越快;对于纯态,仅当时间趋于无穷时纠缠才被完全破坏;对于混态,则在有限的时间内纠缠即被彻底破坏-通过一般的分析找到了一类免退相干的量子子空间-在这些子空间中,量子态不受环境的影响,故其纠缠不变-研究有助于理解费米环境造成的退相干对玻色系统纠缠的影响- 关键词： 费米环境 纠缠演化 两个三能级原子     

量子相空间纠缠轨线力学

量子相空间理论已用来研究物理学、化学等有关问题, 并为人们研究经典物理和量子物理的对应关系提供了一种有力工具. 在量子相空间中, 基于Wigner表象下的量子刘维尔方程, 建立分子纠缠轨线力学. 与经典分子力学方法不同, 分子纠缠轨线力学中的轨线不再是独立的, 而是“纠缠”在一起的, 这正是体系量子效应的体现. 这种半经典 的理论方法能给出体系的量子效应及具有启示意义的物理图像. 分子纠缠轨线力学被用来研究量子隧穿效应、分子光解反应动力学、自关联函数等. 本文综述了分子纠缠轨线力学最近的发展. 关键词： 纠缠轨线 量子相空间 半经典理论     

海洋气泡对水下量子通信性能的影响

随着水下无线通信的发展,关于海洋环境量子通信的研究也逐渐成为热点。其中,研究海洋气泡对光量子在水下传输的影响具有重要意义。为了研究海洋气泡对水下量子通信信道性能的影响,根据海洋气泡的粒径分布模型,研究了气泡的散射特性,并根据气泡的消光系数,分析了不同条件参数对链路衰减、纠缠度、信道容量以及信道误码率的影响,并进行了仿真实验。结果表明：气泡浓度和传输距离的增大,使链路衰减和误码率增加,对于幅值阻尼信道、退极化信道和比特翻转信道,其信道容量均有所减小;随着气泡半径的增大、深度的减小,信道纠缠度降低。由此可见,海洋气泡对量子通信性能的影响不可忽略,在实际应用中为了保障水下量子通信的传输效率,应适当调节水下量子通信相关参数,减小海洋气泡环境对通信系统的影响。     

卷云对自由空间星地量子通信信道的影响

卷云对量子通信光信号的传输有极大的影响.根据卷云特性建立了卷云冰晶粒子的分布模型,研究了卷云的消光特性,并根据卷云的散射特性,分析了卷云冰水含量、传输距离、链路消光特性、信道容量和信道纠缠度衰减的定量关系,研究了噪声影响下隐形传态保真度的变化,并进行了仿真实验.实验结果表明,当传输距离为3 km时,在卷云冰水含量(体积质量)为0.4g·m-3的条件下,对应的链路衰减、信道容量和信道纠缠度分别为0.05 dB· km-1、0.94 dB· km-1和0.52,而在卷云冰水含量(体积质量)为0.1g·m-3的条件下,对应的链路衰减、信道容量和信道纠缠度分别为0.20 dB·km-1、0.82 dB· km-1和0.07.由实验结果可见,自南空间量子通信信道的性能在卷云的影响下均发生了不同程度的变化.因此,在进行量子通信时,需考虑卷云的影响,根据卷云的变化调整性能参数,以提高通信质量.     

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.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明：采用可高度衰减激光脉冲的TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比,采用TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。