用单空间模实现连续变量相干光通信的理论与实验研究

连续变量相干光通信是一种容量大、调制灵活、较易实现的通信方式，具有广阔的应用前景。本课题是根据课题组近年来开展相干光通信研究的基础上提出一种新的相干光密码分配方案。课题侧重两个方面研究：在单空间模下，实现一束同时包含本征光分量和信号光分量的相干光，发送方采用电光调制对信号光实现量子编码。接收方利用自行设计的SU(2)变换盒，采用零差测量stokes 参量，分离出信息光。实现单空间模的相干光密钥分配。探索研究新的协调方案，通过对相干态的 stoke 参量分析，把每个有效的相干态映射到多维单位球，研究多维连续变量协调方法，实现通信双方多维协调。利用自适应监控原理，实时监控系统噪声，协调各部分实验的工作状态，实现相干光密码的稳定、可靠、高速传输。为开展长距离自由空间相干态加密实验奠定基础。课题完成后，可以在核心刊物发表8～10篇，收录SCI（EI）5～6篇，申报专利2件。

相干光通信具有容量大、兼容性好、调制灵活等优势，是一种应用前景广阔、技术日渐成熟的通信模式。相干态量子通信被认为是最有发展前景、实现容易和兼容性强的连续变量量子通信模式，基于这种通信模式的QKD，在3dB极限下，传输率可达到 1.7Gb/s，远大于单光子量子通信。本课题提出自由空间（FS）单空间模（SSM）相干光通信的量子密钥分配（QKD）模式，它只需要调制单束偏振光就可实现经典相干光通信和满足连续变量相干光QKD需要。为此，建立了单空间模相干光QKD理论，根据偏振复用原理把一束线偏振光分解为本征和信号两个分量，利用光学晶体的各向异性调制功能，建立Stokes参量编码协议，用零差技术测量光强确定Stokes信号参量，实现FS SSM相干光QKD。提出了电光和磁光联合调制编码的实验方法，用偏振矩阵分析该实验的编码原理，研制了恒流式磁光驱动电路，实验结果证明新的相干光QKD理论是可行的。成功研制了三晶片型偏振态编码器，实现了自由空间中Stokes参量的连续高速编码。建立以LiNbO3为代表的三晶片型偏振态编码器的Muller矩阵和编码原理。利用了偏振参量矩阵的SO(3)对称性，加快编码速度，确认X-Z-X型三晶片阵列能实现从单一偏振态到整个Poincare球的遍历，满足QKD需要。基于上述理论研究，成功研制了三晶片型偏振态编码器。建立该偏振态编码器的控制算法，其目标是：偏振态沿Poincare球面搜索，且搜索进程中不允许晶体偏压大幅度跳变，最高偏压小于120V，由此确定到达目标态的最短路径。采用改进的模拟退火算法和禁忌搜索算法，利用矩阵分解和三角函数线性化技术获得最佳控制流程。完成基于DSP+ARM的控制电路和基于电源芯片的小型驱动电路研制。目前，最高编码速率可达119k，比目前流行的同类偏振态控制器快18倍，精度以Poincare球方位角表示为±0.20°,分辨率为0.01°。建立量子通信纠错与数据协调的量子神经网络算法，实现噪声消除和信号恢复；建立多维连续变量协调方法和准量子LDPC编码，实现通信双方多维协调。实现了FS SSM相干态CV QKD，密钥率达到160k bits/s。.4年间，发表期刊论文13篇，其中SCI/EI 9篇，国际会议论文8篇，全部收录EI。完成专利2项。课题组1人成为博导，3人晋升副教授，13人获得硕士学位，1人获得国家奖学金。