CN102324982B - 空间量子通信单光子远场分布检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空间量子通信单光子远场分布检测装置。该装置由平行光管，分光棱镜，光纤耦合镜，能量监测单模光纤，能量监测单光子探测器，扫描检测单模光纤，扫描检测单光子探测器，二维平移台和控制计算机组成，该装置可以对待测的空间量子通信终端进行检测，得到其所发射的用于量子通信的单光子经过远距离传输后在接收端形成的远场分布。检测结果为研究和评估待测量子通信终端光机质量和性能指标的重要依据。

Description

空间量子通信单光子远场分布检测装置

技术领域：

本发明涉及量子通信领域，特指一种空间量子通信单光子远场分布检测装置。该装置可以对待测的空间量子通信终端进行检测，得到其所发射的用于量子通信的单光子经过远距离传输后在接收端形成的远场分布。

背景技术：

量子信息科学是近年来物理学领域最活跃的研究前沿之一，基于量子力学基本原理的量子信息处理技术能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，从而提供了一种绝对安全的保密通信方式，这就是量子通信。

空间量子通信的基本原理描述如下：量子通信的发射端和接收端在空间中相隔较远的距离，例如分别处于卫星和地面上。双方首先通过跟踪瞄准系统实现互相对准，继而发射端向接收端发射用于通信的单光子束，该单光子束由一束脉冲激光加上极强的衰减而形成，平均每个脉冲内只含有不到一个光子，可以认为量子通信终端所发射的是一连串的用于通信的单光子，发射端利用单光子的偏振或者相位特性，对其进行编码，并在接收端对单光子进行接收。接收端通过一系列方法进行解码后双方获得一组密钥，该密钥由量子力学的基本原理保证了其绝对的保密性，以此密钥加密信息进行通信，便可实现从原理上绝对保密的量子通信。

根据量子通信的原理，在研制空间量子通信终端时，一个非常重要的课题就是研究发射端发射出的单光子在经过远距离传输后，在接收端的分布情况。这种分布情况直接决定量子通信发射端所发射的单光子有多少能够进入远距离外的接收口径，被量子通信接收端所探测，从而决定量子通信的成码率。因此需要有一套检测装置可以对空间量子通信终端所发射的单光子经过远距离传输后，在接收端的远场分布状态进行检测。受条件所限，空间量子通信终端单光子的远场分布检测很难在远距离的发射和接收端之间实时实地的进行，有必要在实验室中近距离条件下模拟出空间量子通信终端所发射的单光子经过远场传输后的分布状态。目前关于量子通信单光子远场分布的模拟方法尚未有相关文献和专利记载。考虑到量子通信与激光通信在通信载体的传输模型上的一致性，参考激光通信中远场模拟的已有技术，对其加以改进，可以应用到量子通信单光子的远场模拟中。

激光通信的远场模拟技术比较成熟。相关文献中描述过一种激光通信远场分布模拟和检测系统。该系统用以检测激光通信终端所发射的通信光在远场的能量分布。该系统由长焦凸透镜和和CCD相机组成，根据傅立叶光学的理论，令激光通信终端所发射的通信光经过透镜，在透镜焦平面上形成光斑，则该光斑的形状和通信光在远场接收端平面上的分布形状成一定的比例关系，而在能量分布状态上完全一致。可使用CCD相机对该光斑的能量分布进行检测，从而得到激光通信的远场分布。

量子通信终端所发射的单光子是经典激光的一种特例，其在空间中的传输模型和经典的光束一致，因此可以参考激光通信的远场模拟方法，设计量子通信远场分布模拟装置。对于经典光束，其在远距离传输之后在空间中形成能量分布，而在量子通信中，对应到量子通信终端发射的每一个单光子，其表现为一种概率分布，即在远场分布区域内，使用一定口径，在某一位置能接收到该单光子的概率。但目前已有的激光通信的模拟和检测系统无法用于量子通信的远场分布检测。因为量子通信的通信载体是单光子，其能量及其微弱，传统的探测手段如CCD相机无法对其进行探测。因此需要特殊的检测装置来完成对量子通信远场分布的检测。

发明内容

本发明的目的为对待测的量子通信终端所发射的单光子在经过远距离传输后，在接收端形成的远场分布状态进行检测，为量子通信终端的研制和评估提供重要依据。检测出量子通信单光子的远场分布，可以对量子通信发射终端单光子发射系统的发散角和光学质量进行评估，对量子接收终端通信单光子捕获概率进行计算，也可以对量子通信发射终端所需的发射功率以及最终量子密钥的成码率进行估算。在此基础上，对量子通信终端的控制策略和系统设计进行改进，提高接收端对通信单光子的捕获概率。综上所述，本发明的有益效果显著。

本发明的技术解决方案如下：

首先考虑在室内近距离条件下形成等效的单光子远场分布。使用平行光管在近距离条件下模拟量子通信单光子远场分布的原理如图1所示。其理论证明如下：

量子通信终端所发射的单光子是由脉冲高斯光束经过强衰减使其每个脉冲的平均光子数小于一个而得到，在研究其空间传输时，可以认为是经典光的一种极端的特例，其传输模型和经典光一致。根据在自由空间中激光光束的传输原理，设发射口径处的光强分布为F(ξ,η),由惠更斯-菲涅耳原理可知,光振幅在z处的情况u(x,y,z)如下式示

$u(x,y,z)=\∫\∫\frac{\exp \left(\mathrm{jkr}\right)}{\mathrm{j\λr}}\cos (\stackrel{\→}{n},\stackrel{\→}{r})F(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\mathrm{d\ξd\η}$

光在空间中经过远距离传输后,在远场满足夫琅和费衍射，根据一系列理论推导，此时传播方向z处的光振幅分布可近似的表示为：

$u(x,y,z)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkz}\right)}{\mathrm{j\λz}}\exp \left(\mathrm{jk}\frac{x^2+y^2}{2z}\right)\∫\∫F(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\exp (-\mathrm{jk}\frac{\mathrm{x\ξ}+\mathrm{y\η}}{z})\mathrm{d\ξd\η}$

而在近场条件下，如实验室室内，光的分布满足菲涅耳衍射。此时传播方向z处的光振幅分布如下式：

$u(x,y,z)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkz}\right)}{\mathrm{j\λz}}\exp \left(\mathrm{jk}\frac{x^2+y^2}{2z}\right)\∫\∫F(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\exp \left(\mathrm{jk}\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{2z}\right)\exp (-\mathrm{jk}\frac{\mathrm{x\ξ}+\mathrm{y\η}}{z})\mathrm{d\ξd\η}$

为了在较短距离的实验室条件下模拟光的远场分布情况,对比以上两个公式,发现在近场衍射公式中,多出了一个二次相位因子

在近场条件下,利用平行光管来引入一个二次相位因子,对于焦距为f的平行光管来说,它的反射函数为

对于在入射端的光振幅分布为F(ξ,η),则出射端分布为

由于exp(jknΔ₀)为一固定相位因子,在计算时可以不予考虑,则另一端的光振幅分布为

将经过平行光管主镜后的光振幅分布代入近场衍射公式，可以得到:

$u(x,y,z)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkz}\right)}{\mathrm{j\λz}}\exp \left(\mathrm{jk}\frac{x^2+y^2}{2z}\right)$

$\∫\∫F(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\exp (-\mathrm{jk}\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{2f})\exp \left(\mathrm{jk}\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{2z}\right)\exp (-\mathrm{jk}\frac{\mathrm{x\ξ}+\mathrm{y\η}}{z})\mathrm{d\ξd\η}$

其中取传输距离为f,则二次相位因子可以抵消,公式可以变为：

$u(x,y,f)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkf}\right)}{\mathrm{j\λf}}\exp \left(\mathrm{jk}\frac{x^2+y^2}{2f}\right)\∫\∫F(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\exp (-\mathrm{jk}\frac{\mathrm{x\ξ}+\mathrm{y\η}}{f})\mathrm{d\ξd\η}$

上面公式为光振幅在平行光管焦平面的分布,其分布与远场分布公式相似,公式中只是用f取代了z。因此，平行光管焦平面上的光强分布和激光的远场分布形式一致，只是在分布区域大小上存在着一个比例因子B=f/z。f为平行光管的焦距，z为实际的远距离传输距离，即平行光管焦平面上的光强分布是实际远距离传输后远场光强分布按比例缩小了B倍之后的情形。在室内近距离环境下可以利用此对应关系来完成实验室中对激光远场分布的模拟。考虑到量子通信和激光通信在传输模型上的一致性，同样可使用平行光管来对量子通信终端所发射的单光子进行远场分布的模拟。

对于经典光束，其在远距离传输之后在空间中形成能量分布，而在量子通信中，对应到量子通信终端发射的每一个单光子，其表现为一种概率分布，即在分布区域内，使用一定口径，在某一位置能接收到该单光子的概率。由于单光子的能量极其微弱，使用常规的方法无法对其进行检测，因此本发明设计了如图2所示专门的检测装置来对这种分布进行检测。

图中所述的平行光管2为反射式平行光管或透射式平行光管，其口径需要大于待检测量子通信终端的发射口径，一般在400mm以上即可。其焦距越长，整个装置的检测精度越高。所述的分光棱镜3是半透半反的分光棱镜，对于入射光，分光棱镜反射其50%的能量，透射其余50%的能量；所述的光纤耦合镜4为单片透镜，可将入射到透镜上的光耦合到光纤中；所述的能量监测单模光纤5和扫描检测单模光纤7为同一型号的单模光纤，为适用于量子通信波长的单模光纤，其口径范围为5μm—20μm；所述的能量监测单光子探测器6和扫描检测单光子探测器8为同一型号的单光子探测器，为购买的单光子探测器产品或自行研制的单光子探测器件，有和光纤的接口，可通过光纤接收单光子，对于每个接收到的单光子进行计数，从而得到单光子探测器所探测到的总光子数量，并与控制计算机10之间通过通信接口连接，可将单光子计数结果传输给控制计算机的数据采集软件；所述的二维平移台9是由电机或其他电力电子器件控制的二维平移台，可在水平方向和垂直方向上实现平移运动，根据远场分布检测的要求，其定位精度需要小于10μm，其承重能力需要大于单模光纤和单光子探测器的重量，二维平移台与控制计算机10之间通过通信接口连接，可由计算机对其运动状态进行控制；所述的控制计算机10为普通的计算机，需要有三个以上通用的通信接口如RS232接口或者USB接口，并安装相应的控制软件。

检测装置的各部分关联关系和工作过程描述如下：如图2所示，待测空间量子通信终端1向平行光管的口径方向发射出用于量子通信的单光子，经平行光管2后，在到达平行光管焦平面之前，被分光棱镜3分为能量相等，即单光子数量相等的两个部分。被分光棱镜反射的单光子继续传输，在平行光管的焦平面上形成等效的远场分布。单模光纤7的接收口径位于平行光管2的焦平面上，对进入光纤接收口径的单光子进行接收，并将所接收到的单光子引入单光子探测器8，单光子探测器8对所探测到的单光子进行计数，通过同控制计算机10的通信接口将计数结果传送给控制计算机进行软件处理。单模光纤7和单光子探测器8整体固定在二维平移台9上，该二维平移台和控制计算机10之间通过通信接口连接，受控制计算机操纵，可以带动单模光纤7和单光子探测器8在平行光管的焦平面上，进行水平和竖直两个方向的移动，使单模光纤的接收口径在单光子远场分布区域内进行面阵逐点扫描，在扫描的路径上选取多个采样点，对每一个采样点进行相同时间长度的单光子计数，得到在每个采样点，相同时间内所接收到的单光子数情况。

同时，被分光棱镜3所透射的单光子，被光纤耦合镜4接收，进行单光子能量监测。光纤耦合镜将所有收到的单光子耦合到能量监测单模光纤5中，进入能量监测单光子探测器6进行计数。分光棱镜为半透半反，即可以认为能量监测单光子探测器所接收到的单光子计数值等于待测量子通信终端所发出的总单光子数的一半。由此可以监测待测量子通信终端所发射单光子的能量起伏情况。另一方面，在同一段时间内，被分光棱镜透射，被能量监测单光子探测器所接收到的单光子数量，等于被分光棱镜反射，在平行光管焦平面上远场分布区域内所存在的单光子总数。因此，在远场分布区域内，二维平移台每扫描一个采样点进行单光子计数时，能量监测单光子探测器也同时进行计数，将二者的计数值相除，可以得到在远场分布区域中，在该采样点上的单光子探测概率。对于整个远场分布区域进行扫描检测，用区域内各采样点上的单光子探测概率来描述单光子远场分布情况。

装置由控制计算机10通过软件驱动二维平移台进行扫描，扫描的范围，步长和每点采样时间可由使用者根据情况输入。整个扫描和计数统计过程由控制计算机自动完成，并最后计算出在整个单光子远场分布区域内各点的单光子探测概率。

附图说明：

图1为用平行光管模拟单光子远场分布的原理示意图。图（a）描述了空间量子通信终端所发射的单光子在实际远距离传输情况下的远场分布状态，图（b）描述了在室内近距离条件下用平行光管模拟等效的远场分布的方法。

图2为空间量子通信远场分布模拟和检测装置结构图。图中标号依次为：1为待检测的空间量子通信终端，2为平行光管，3为分光棱镜，4为光纤耦合镜，5为能量监测单模光纤，6为能量监测单光子探测器，7为扫描检测单模光纤，8为扫描检测单光子探测器，9为二维平移台，10为控制计算机。图中实线线表示该检测装置的光路，虚线表示控制计算机和设备之间电信号的连接。

图3为对单光子分布进行扫描检测的示意图。

具体实施方式：

下面通过一个实施实例来说明本发明的具体实施方式。装置结构如图2所示，使用的主要器件描述如下：

1）所检测的空间量子通信终端为某项目自行研制的卫星量子通信终端，发射口径为200mm，所发射的单光子为850nm波长，发散角为80μrad，发射激光器的脉冲重复频率为100Mhz，经过强衰减后，出射光平均每个脉冲包含0.8个单光子，即可以认为每秒发射约8×10⁷个单光子，但在同一时刻一般只有1个单光子被发射。

2）平行光管为国内某光学加工厂定制的反射式平行光管，焦距为17m，口径为800mm。

3）分光棱镜为Thorlabs公司生产的半透半反棱镜，其中心波长为850nm，口径为1英寸，可将入射光束通过透射和反射分为两部分，每部分的能量都约为入射光束能量的50%。

4）单模光纤为Thorlabs公司生产的单模光纤，工作中心波长为850nm，口径为5.6μm。，其效率为80%。

光纤耦合镜为Thorlabs公司生产的光纤耦合镜，为一面会聚透镜，工作中心波长为850nm，口径为0.5英寸，可将入射的光子耦合到单模光纤中去。

5）单光子探测器为美国perkinelma公司生产的单光子探测器，有配套的数据采集电路和计算机软件，可直接与控制计算机连接进行计数。

6）二维平移台为上海联谊公司生产的ALB-M-50-10XZ型二维电控平移台，由步进电机控制该平移台在水平和竖直两个方向上进行平移，其定位精度为2μm，行程为5mm，最大载重重量为10kg。

使用该装置检测量子通信单光子远场分布的过程为：量子通信终端所发射的单光子经过平行光管，被分光棱镜3分为两个部分。被分光棱镜反射的单光子继续传输，到达平行光管的焦平面上，此时单光子满足等比例缩小的远场概率分布。单模光纤7和单光子探测器8固定在二维电控平移台9上，调节平移台使单模光纤7的接收口径处于单光子远场分布区域内的某一采样点A上，对单光子进行接收。单光子探测器8对时间t内接收到的单光子进行计数。得到计数值n_a作为该扫描点的接收个数。在同一时间段t内，经过分光棱镜3透射的单光子被光纤耦合镜4耦合到能量监测单模光纤5中，能量监测单光子探测器6对其进行计数，得到计数值n_r。如果接收到的单光子计数足够多，则可认为在点A，探测到量子通信终端所发射的单光子的概率为

在本实例中，由于每秒量子通信终端可发射80M个单光子，因此时间t取1s足够。

二维平移台带动单模光纤的口径在整个单光子远场分布区域内进行扫描，扫描到每个采样点时停止，扫描检测单光子探测器和能量监测单光子探测器同时进行时长为t的单光子计数之后继续扫描。对于本实例，单光子的远场分布主要区域为直径为1.3mm的圆，考虑余量，将扫描范围可设定为边长1.4mm的正方形，其中心和圆心重合。扫描步长设置为200μm，需要对64个采样点进行单光子计数。扫描路径和点如图3所示。可以根据需要提高或者降低采样点的密度。扫描过程对二维电控平移台的定位精度提出很高的要求。本实例中采用步进电器驱动的二维电控平移台，其重复定位精度为2μm，可以满足扫描要求。

以上扫描和计数过程均由控制计算机10进行控制完成，最后各点的计数结果和探测概率也由计算机进行计算和统计，输出数据。

经试验表明，本发明装置可以在实验室中模拟出量子通信的单光子在经过星地远距离传输后形成的远场分布，并对这种远场概率分布进行检测，得到单光子在远场分布区域内各点的探测概率。本发明可以对量子通信发射终端单光子发射系统的发散角和光学质量进行评估，对量子接收终端通信单光子捕获概率进行计算，也可以对量子通信发射终端所需的发射功率以及最终量子密钥的成码率进行估算。在此基础上，对量子通信终端的控制策略和系统设计进行改进，提高接收端对通信单光子的捕获概率。对于量子通信终端的研制具有较强的应用价值。

Claims (1)

1.一种空间量子通信单光子远场分布检测装置，由平行光管（2），分光棱镜（3），光纤耦合镜（4），能量监测单模光纤（5），能量监测单光子探测器（6），扫描检测单模光纤（7），扫描检测单光子探测器（8），二维平移台（9）和控制计算机（10）构成，其特征在于:

所述的平行光管（2）为反射式平行光管或透射式平行光管，其口径大于待检测量子通信终端的发射口径；

所述的分光棱镜（3）是半透半反的分光棱镜，对于入射光，分光棱镜反射其50%的能量，透射其余50%的能量；

所述的光纤耦合镜（4）为单片透镜；

所述的能量监测单光子探测器（6）和扫描检测单光子探测器（8）为相同的单光子探测器，有和光纤的接口，通过光纤接收单光子，对于每个接收到的单光子进行计数，从而得到单光子探测器所探测到的总光子数量，并与控制计算机（10）之间通过通信接口连接；

所述的二维平移台（9）是由步进电机控制的二维平移台，其重复定位精度优于10μm，在电信号的控制下，带动扫描检测单模光纤（7）和扫描检测单光子探测器（8），在水平方向和垂直方向上实现精确的平移运动，使扫描检测单模光纤的入光口径始终保持在平行光管焦平面上，并在焦平面上做水平和垂直方向的扫描运动；二维平移台与控制计算机（10）之间通过通信接口连接；

待测空间量子通信终端（1）向平行光管的口径方向发射出用于量子通信的单光子，经平行光管（2）后，在到达平行光管焦平面之前，被分光棱镜（3）分为能量相等，即单光子数量相等的两个部分；被分光棱镜反射的单光子继续传输，在平行光管的焦平面上形成等效的远场分布；扫描检测单模光纤（7）的接收口径位于平行光管（2）的焦平面上，对进入光纤接收口径的单光子进行接收，并将所接收到的单光子引入扫描检测单光子探测器（8），扫描检测单光子探测器（8）对所探测到的单光子进行计数，通过同控制计算机（10）的通信接口将计数结果传送给控制计算机进行软件处理；扫描检测单模光纤（7）和扫描检测单光子探测器（8）整体固定在二维平移台（9）上，该二维平移台和控制计算机（10）之间通过通信接口连接，受控制计算机操纵，可以带动扫描检测单模光纤（7）和扫描检测单光子探测器（8）在平行光管的焦平面上，进行水平和竖直两个方向的移动，使单模光纤的接收口径在单光子远场分布区域内进行面阵逐点扫描，在扫描的路径上选取多个采样点，对每一个采样点进行相同时间长度的单光子计数，得到在每个采样点，相同时间内所接收到的单光子数情况；同时，被分光棱镜（3）所透射的单光子，被光纤耦合镜（4）接收，进行单光子能量监测；光纤耦合镜将所有收到的单光子耦合到能量监测单模光纤（5）中，进入能量监测单光子探测器（6）进行计数；分光棱镜为半透半反，即能量监测单光子探测器所接收到的单光子计数值等于待测量子通信终端所发出的总单光子数的一半，由此可以监测待测量子通信终端所发射单光子的能量起伏情况；另一方面，在同一段时间内，被分光棱镜透射，被能量监测单光子探测器所接收到的单光子数量，等于被分光棱镜反射，在平行光管焦平面上远场分布区域内所存在的单光子总数，因此，在远场分布区域内，二维平移台每扫描一个采样点进行单光子计数时，能量监测单光子探测器也同时进行计数，将二者的计数值相除，可以得到在远场分布区域中，在该采样点上的单光子探测概率；对于整个远场分布区域进行扫描检测，用区域内各采样点上的单光子探测概率来描述单光子远场分布情况；装置由控制计算机（10）通过软件驱动二维平移台进行扫描，扫描的范围，步长和每点采样时间可由使用者根据情况输入；整个扫描和计数统计过程由控制计算机自动完成，并最后计算出在整个单光子远场分布区域内各点的单光子探测概率。

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