自由空間量子密鑰分發

劉濤

博士，副教授；

2015年10月至2017年4月，曾任美國亞利桑那大學訪學學者；2018年9月至2019年8月，曾在北京郵電大學訪學。自2006年起，一直致力於非線性光學、光纖通信和量子通信領域的研究，主持國家自然科學基金2項、河北省自然科學基金1項、中央高校基本科研業務費基金5項，以及多項橫向課題；入選河北省“三三三人才工程”計劃；持有河北省燕趙英才A卡。

第 1章 緒論 1

參考文獻　4

第　2章 量子密鑰分發的理論基礎　8

2.1　量子信息基礎　8

2.1.1　量子比特及其性質　8

2.1.2　量子密度算子　12

2.1.3　量子測量　12

2.2　量子通信通道　13

2.2.1　大氣通道　13

2.2.2　海水通道　19

2.2.3　光纖通道　21

2.3　量子密鑰分發協議　22

2.3.1　離散變量量子密鑰分發協議　23

2.3.2　連續變量量子密鑰分發協議　26

2.4　蒙特卡羅法　29

2.4.1　蒙特卡羅法簡介　29

2.4.2　蒙特卡羅法模擬流程　30

2.5　本章小結　33

參考文獻　34

第3章　大氣湍流效應的模擬方法　36

3.1　大氣湍流相位屏模擬方法簡介　36

3.2　大氣湍流相位功率譜密度模型　37

3.3　相位結構函數　38

3.4　次諧波大氣湍流相位屏模擬方法　40

3.4.1　次諧波大氣湍流相位屏模擬方法的改進　41

3.4.2　改進次諧波法的準確性驗證　43

3.4.3　不同諧波次數及採樣點對相位屏的影響　45

3.4.4　不同大氣湍流相位屏模擬方法的比較　47

3.5　次諧波大氣湍流相位屏模擬中最優諧波次數的選取　48

3.5.1　改進的綜合功率比評估標準　48

3.5.2　相位結構函數增量比評估標準　56

3.6　本章小結　60

參考文獻　60

第4章　電離層E層對自由空間量子密鑰分發系統性能的影響　62

4.1　電離層E層傳輸模型　63

4.2　電離層E層對通道容量的影響　67

4.3　電離層E層對糾纏保真度的影響　70

4.4　電離層E層對量子誤碼率的影響　72

4.5　電離層E層對安全密鑰率的影響　74

4.6　本章小結　76

參考文獻　77

第5章　大氣效應對量子密鑰分發系統性能的影響　79

5.1　離散變量量子密鑰分發系統　79

5.1.1　通道傳輸模型　80

5.1.2　背景光噪聲對系統性能的影響　85

5.1.3　大氣效應等對系統性能的影響　98

5.2　連續變量量子密鑰分發系統　115

5.2.1　通道傳輸模型　115

5.2.2　透射率　120

5.2.3　額外噪聲　122

5.2.4　中斷概率　123

5.2.5　大氣效應對系統性能的影響　126

5.3　本章小結　131

參考文獻　132

第6章　天氣條件對量子密鑰分發系統性能的影響　134

6.1　不同天氣條件下的大氣能見度　134

6.1.1　降雪天氣的大氣能見度　134

6.1.2　降雨天氣的大氣能見度　135

6.1.3　霧霾天氣的大氣能見度　136

6.2　降雪對系統性能的影響　138

6.3　降雨對系統性能的影響　139

6.4　霧霾對系統性能的影響　140

6.5　本章小結　142

參考文獻　142

第7章　海水對量子密鑰分發系統性能的影響　143

7.1　通道傳輸模型　143

7.2　海水光學性質的影響　144

7.2.1　葉綠素濃度垂直分佈　144

7.2.2　吸收效應　146

7.2.3　散射效應　147

7.3　偏振光子的水下傳輸特性　149

7.3.1　散射特性　149

7.3.2　衰減特性　151

7.3.3　偏振特性　154

7.4　海水湍流對系統性能的影響　156

7.4.1　光束漂移　158

7.4.2　光強閃爍　165

7.4.3　海水湍流對通道容量的影響　171

7.4.4　海水湍流對量子誤碼率的影響　174

7.5　本章小結　177

參考文獻　177

第8章　光放大器對連續變量量子密鑰分發系統性能的改善　181

8.1　相敏放大器　181

8.2　相位非敏感放大器　184

8.3　兩種放大器對系統性能的影響　188

8.4　本章小結　199

參考文獻　199