自由空间量子通信误码率和传输率分析.pdfVIP

空间量子通信误码率和传输率分析 郭爱鹏，刘伟，杨树 北京邮电大学量子通信实验室，北京 (100876) E-mail ：guoaipeng287@ 摘 要：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-地面站间链路和地-地链路,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,地面站和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。 关键词: 量子密码术；量子密钥分配；量子误码率；单光子源 在网络技术和信息技术高速发展的今天,必威体育官网网址通信享有特殊的重要性。必威体育官网网址通信的关键 技术是密钥,通信的安全在于保证密钥的安全。量子密码术,确切地说是量子密钥的分配,采用 单光子通信技术,通信双方通过量子信道和经典信道分配密钥,其绝对安全性由量子力学的基 本原理来保证。 目前, 自由空间量子密钥分配的研究得到了学术界的高度重视。在已经进行的大气光路 地面实验中,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,量子信息态采用单光子偏振态。量子密钥比特率和量子误码率是量子密钥分配系 统的两个重要参数。Buttler 等人基于B92 协议研究了自由空间量子密钥分配的系统效率。 Gisin 等人基于 BB84 协议研究了量子误码率。针对轨道高度为的低轨卫星-地面站间量子 密钥分配,给出了由背景光引起的误码率,但并没有给出相关的理论模型。本文通过引入量子 信道传输率、单光子捕获概率、测量因子和数据筛选因子,建立了自由空间量子密钥分配的 量子误码率理论模型,对引起量子误码率的主要因素进行了分析,并针对低轨卫星-地面站间 链路,地面站-地面站进行了数值仿真研究。 1 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 对于自由空间量子密钥分配,引入量子信道传输率T 和单光子捕获概率P 是为了 cha acq 表征发射机和接收机间的光学耦合和损耗, 二者乘积相当于传输和接收效率η或光子到达接 收机概率tlink 。对于地面点对点、地面站-卫星和卫星-地面站间链路,量子信道传输率是指激 光大气传输率。若只考虑大气衰减效应,对于地面点对点链路,量子信道传输率可表示为 Tcha exp(−αl) (1) α为大气衰减系数，l 为激光通过大气的传输距离, 对于地面站-卫星和卫星-地面战间链路， 量子信道传输率可以表示为 T T secζ (2) cha 0 ς 为地面站到卫星的天顶角；T 为天顶（ς =0 ）大气传输率。对于卫星间链路，由于不存 0 在大气 Tcha 1 由于光具有波粒二象性,在光束传输横截面上捕获光子时[1],只能出现两种情况,一是捕 获到一个光子,一是什么也捕获不到。也就是说,光子是作为一个最小单位出现的,这反映了光 - 1 - 子的粒子性。但是在传输横截面上的