基于波分复用技术提高自由空间量子密钥分发系统信道容量的研究

In order to improving the channel capacity of quantum communication in free space and achieving higher secure key rates and longer communication distance, we intend to coexistence of the quantum key distribution (used to send quantum secret key ) and classical data (used to send cryptograph ) by using wavelength division multiplexing technology. By exploiting optical simulation software to simulate wavelength division multiplexing technology in free-space quantum key distribution, we can analysis the reason which limits the capacity of quantum channel and which cause the quantum noise factor in the entire communication process. The adaptive noise compensation technology and other measures to reduce system noise have lay the foundation for long distance, high speed free-space quantum key distribution experiment. This promising project can make better use of the bandwidth of laser, increasing the key rate and channel capacity of quantum key distribution, and accelerate the practical application of quantum communication technology.

本项目以扩充自由空间量子通信的通道容量并提高量子密钥的传输速率为目标，将光纤介质中成熟的波分复用技术引入到空间激光通信系统中，进而实现自由空间中量子通信（传输密钥）与经典通信的波分复用。并利用光学仿真软件模拟波分复用在自由空间量子密钥分发的过程中的应用，分析整个通信过程中限制通信容量的因素以及引入量子噪声的原因，采取必要的补偿措施，为实验的顺利进行奠定基础。该项目可以更好的利用激光通信带宽，最大限度的提高量子通信的通信速率和信道容量，是一项非常具有应用前景的量子通信技术。

由于空间量子通信是实现全球化量子通信最有效的手段，墨子号低轨实验卫星的发射标志着空间量子通信实现的可能性，本课题的研究内容是基于本单位空间激光通信的基础，充分发挥本单位空间有效载荷的优势，为我国实现星地、星间量子通信奠定基础，该项目可以更好的利用激光通信带宽，最大限度的提高量子密钥分发的速率和信道容量，可以加速量子通信的实际应用，因此是一项非常具有发展前景的应用技术。.本项目以实现空间量子与激光波分复用为目的，将光纤中成熟的波分复用技术引入到自由空间量子密钥分发的中，进而实现自由空间中量子通信（传输密钥）与激光通信（传输密文）的波分复用。我们首先对量子与激光波分复用系统进行了系统的设计，在此基础上，通过OptiSystem软件对自由空间量子与激光的波分复用问题进行研究，分析整个通信过程中器件以及强激光信号对弱量子信号的干扰，得出在激光强度比量子信号强度大30dbm时，量子与激光波分复用器件的间隔要大于8个。.同时通过采取自适应技术以及噪声补偿等措施减少系统噪声，通过对空间信道量子特征参数实时监测与估计技术，偏振和相位时隙扫描监测与补偿技术，基于本振测量的实时空间信道光学性能参数监测估计方法的研究，为信号处理中的噪声压制提供了一种新的途径，为远距离、高速率的自由空间量子密钥分发实验奠定基础。.另外为了实现量子隐形传态，我们设计了一种连续变量量子隐形传态的实验方案，其中纠缠EPR源由相位敏感参数放大的四波混频产生。由于PS-FWM的简单配置，以及直接测量的简单性，使得该方案在实验中很有价值。.