CN102611508A - 一种兼容接收与发射的量子通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼容量子光接收与发射的量子通信系统，它采用孔径分割的方式来实现同时兼容量子收发的功能，适用于自由空间量子通信及光通信领域。该光学终端由主望远镜、跟踪反射镜、跟踪光与量子光分色片、跟踪模块、量子收发孔径分割反射镜、量子接收处理单元及量子发射单元构成，跟踪模块通过跟踪光的成像光斑位置变化来控制跟踪反射镜的方向变化，从而保证发射端与接收端的高精度对准，通过孔径分割反射镜来实现同时兼容量子收发的功能，满足兼容量子接收与发射的设计要求。

Description

一种兼容接收与发射的量子通信系统

技术领域

本发明涉及量子通信及光通信技术领域，具体是指一种兼容量子光信号接收与发射的量子通信系统。

背景技术

保密通信是一种让通信双方在绝密状态下交换信息的传送方式，许多国家都非常重视保密通信的研究。在当今社会，保密通信已经是政府、银行、公司和私人保护等信息交换的保障，随着网络、电子商务的推广，保密系统的安全性显得尤为重要。计算机的飞速发展使得破译密码的手段越来越高明，经典密码术越来越显现出它的局限性。而量子保密通信从量子力学不确定性原理和量子态不可克隆定理出发，提供了一种原理上绝对安全的全新的通信方式，也是量子信息领域最接近实用化的方向之一。量子通信技术的研究紧扣国家安全重大需求问题，可望大幅度提高信息传输的安全性、信息传输通道容量和效率等，是未来信息技术发展的重要战略性方向，并极有可能引起诸多科学和技术领域的革命，对经济和社会的进步产生难以估量的影响。国际上重要的发达国家，特别是美国、欧盟和日本均已投入大量人力物力致力于自由空间量子通信的理论和实验研究。美国国家标准和技术研究所(NIST)已将量子通信作为三项重点研究方向之一；日本也已经将量子通信确定为21世纪国家战略项目，计划在2020年至2030年间建成绝对安全的高速量子通信网；而在欧洲，则成立了以英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理学研究网，并在2008年向欧洲空间局的生命和物理科学部提交了“Space-QUEST”实验方案，打算在空间环境中引入量子纠缠，在国际空间站(ISS)实现星地量子通信实验，这将开创自由空间量子通信和基础物理研究的新时代。

近年来，量子通信研究进展迅速，远距离量子通信则成为了国际激烈竞争的焦点，目前量子通信的技术手段主要包括：基于光纤通道、基于自由空间通道的量子传输。但由于光纤材料的限制，光纤的损耗和退相干效应无法避免，目前低损耗光纤的性能已经逼近理论极限，利用光纤在相距100公里以上的两点建立量子信道变得非常困难。而自由空间量子信道是实现远距离量子通信实验的最为可行的方案之一，空间量子通信目前正处于从原理性研究走向实用化的关键时期。如何突破距离的限制在更广域的范围内实现量子通信过程成为摆在人们面前的难题，一旦取得突破将在整个量子通信研究领域产生极其深远的影响。

本发明充分考虑自由空间量子通信的应用需求，基于简单的孔径分割原理，达到了对同一波长同时实现量子收发的目的，实现了一种兼容量子光接收与发射的量子通信系统的设计。

发明内容

本发明的目的在于满足自由空间量子通信的应用需求，提供一种兼容量子光信号接收与发射的量子通信系统，系统可以实现同一个光学终端同时进行量子信号的接收与发射功能，满足量子通信终端双工的设计要求。

本发明针对实现自由空间量子通信终端进行双工的设计需求，使用孔径分割的方式来实现量子信号接收与发射的分离，并通过跟踪系统来实现通信双方的高精度对准，保证量子通道的畅通，从而实现量子通信的功能。本发明同样适用于光通信中接收与发射信号的分离，实现光通信双向工作的功能。

本发明的量子通信光学终端如附图1所示，量子接收光与跟踪光经过另一通信端发射后覆盖本发明的通信系统，目标光经系统接收望远镜1收集后进入后光路，缩束后的光束被跟踪反射镜2反射后，再通过跟踪光与量子光分色片3分光之后，各自进入到量子光接收通道及信标光接收通道，信标光被成像于跟踪模块4的相机中，通过成像光斑的位置信息控制跟踪反射镜2的反射角变化来实现跟踪功能，量子接收光经过量子收发孔径分割反射镜5反射后进入量子接收处理单元6，经过相应的软件处理得到量子密钥信息；同时量子发射单元7首先对量子光进行编码，编码后的量子光通过量子收发孔径分割反射镜5的通光孔后，再经过跟踪光与量子光分色片3及跟踪反射镜2反射后，经过主望远镜1压缩发散角之后出射后，最终覆盖另一端的量子通信光学终端。由于量子接收光、量子发射光及信标光都经跟踪反射镜2反射，跟踪反射镜2通过角度变化来实现跟踪功能，确保3条光轴都始终对准通信的另一端。

本发明量子通信终端的具体工作过程描述如下：

1、当该量子通信终端作为接收端时，量子接收光与跟踪光同时进入主望远镜1，缩束后的光束经过跟踪反射镜2反射后，再通过跟踪光与量子光分色片3分光后，各自进入到量子通道及信标通道，量子接收光经过量子收发孔径分割反射镜5反射后进入量子接收处理单元6，信标光经过跟踪模块4的相机成像，根据成像光斑的位置变化来控制跟踪反射镜2的角度变化，使得量子接收轴与信标光的接收轴精确对准，从而保证量子接收处理单元6接收更多的量子信号来提高量子成码；

2、当系统作为发射端时，量子发射单元7首先对量子光进行编码，编码后的量子发射光经量子收发孔径分割反射镜5的通光孔后，再通过跟踪光与量子光分色片3及跟踪反射镜2后，经过主望远镜1压缩发散角之后出射，同时跟踪光进入接收望远镜1，通过望远镜及跟踪反射镜2反射，再经跟踪光与量子光分色片3反射后进入到跟踪模块4，由于量子发射与信标光都经过了跟踪用反射镜2的反射，同时量子发射轴与信标光接收相机的成像光斑某一个位置对应，在跟踪过程中光斑位置变动时，经过相应的处理电路来控制跟踪反射镜2的角度变化，使光斑位置保持不变，确保量子发射光能精确的传输至通信的另一端。

本发明的优点在于：

1)本发明装置的结构简单、成本低廉、易于实现，通过对反射镜进行结构上的处理就可以实现双工的通信功能。

2)本发明装置的实用性较强，该终端的处理方法不仅可以用于量子通信，也可以应用于光通信，同时该分光方法适用于收发通信光波长接近的系统，也适用于收发通信光波长可以进行分光的系统。

3)本发明装置应用于量子通信时，量子发射过程中少用了一片分光片，对系统的偏振保持设计更有利。

附图说明

图1为系统光路示意图；

图中标号：1为主望远镜、2为跟踪反射镜、3为跟踪光与量子光分色片、4为跟踪模块、5为量子收发孔径分割反射镜、6为量子接收处理单元、7为量子发射单元，其中箭头表示光束的行进方向。

具体实施方式

以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。

本发明中所采用的主要器件描述如下：

1)主望远镜1：商业用的天文望远镜，放大倍数为10倍；

2)跟踪反射镜2：跟踪镜购买NEWPORT公司的两轴音圈电机，型号为FSM-320Fast；其主要性能参数：工作波段为650-1700nm时，平均反射率大于96％，角度分辨率RMS值≤1rad，角度变化范围：±1.5°；

3)跟踪光与量子光分色片3：分色片反射532nm跟踪光、透射810nm量子光，532nm反射光效率优于98％，810nm透射光效率优于97％；

4)跟踪模块4：跟踪模块由跟踪相机及处理电路组成，处理电路控制跟踪反射镜2的反射角度变化，从而保证量子轴始终对准量子通信的另一端；

5)量子收发孔径分割反射镜5：反射镜上开有一个通光孔，通光孔的大小与量子发射光光斑匹配，反射镜另一面反射量子接收光，从而保证能够同时进行量子收发；

6)量子接收处理单元6与发射单元7：对量子信号进行编码后发射及量子信号接收后的处理。

本发明方法的主光路示意图如附图1所示，具体情况描述如下：

1、当系统作为接收端时，量子光与跟踪光同时进入接收望远镜1，望远镜将光束缩束后进入后光路中，光束经过音圈电机2反射后，再通过跟踪光与量子光分色片3，各自进入到量子通道及信标通道，信标光经过跟踪模块4的相机成像，根据成像光斑的位置变化来控制音圈电机2的角度变化，使得量子接收轴与信标光的接收轴精确对准，从而接收更多的量子信号来提高量子成码；

2、当系统作为发射端时，量子发射单元7首先对量子光进行编码，编码后的量子发射光经量子收发孔径分割反射镜5的通光孔后，再通过跟踪光与量子光分色片3及音圈电机2后，经过主望远镜1压缩发散角之后出射，同时跟踪光进入接收望远镜1，经过望远镜缩束后被音圈电机2反射，通过跟踪光与量子光分色片3分光后进入到跟踪模块4，由于量子发射与信标光都经过了跟踪用音圈电机2的反射，同时量子发射轴与信标光接收相机的成像光斑某一个位置对应，在跟踪过程中光斑位置变动时，经过相应的处理电路来控制音圈电机2的角度变化，使光斑位置保持不变，确保量子发射光能精确的传输至通信的另一端。

Claims (3)

1.一种兼容量子光接收与发射的量子通信系统，它包括主望远镜(1)、跟踪反射镜(2)、跟踪光与量子光分色片(3)、跟踪模块(4)、量子收发孔径分割反射镜(5)、量子接收处理单元(6)及量子发射单元(7)，其特征在于：

系统作为量子光接收端时，量子接收光与跟踪光同时进入主望远镜(1)并被缩束，缩束后的光束经过跟踪反射镜(2)反射后，再通过跟踪光与量子光分色片(3)分光后，各自进入到量子光通道及信标光通道，量子接收光经过量子收发孔径分割反射镜(5)反射后进入量子接收处理单元(6)，信标光经过跟踪模块(4)的相机成像，根据成像光斑的位置变化来控制跟踪反射镜(2)的角度变化，使得量子接收轴与信标光的接收轴精确对准，从而保证量子接收处理单元(6)接收更多的量子信号来提高量子成码；

系统作为量子光发射端时，由量子发射单元(7)首先对量子光进行编码，编码后的量子光经量子收发孔径分割反射镜(5)的通光孔后，再通过跟踪光与量子光分色片(3)及跟踪反射镜(2)，经过主望远镜(1)压缩发散角之后出射，同时跟踪光进入接收望远镜(1)，通过望远镜及跟踪反射镜(2)反射，再经跟踪光与量子光分色片(3)反射后进入到跟踪模块(4)，由于量子发射与信标光都经过了跟踪用跟踪反射镜(2)的反射，同时量子发射轴与信标光接收相机的成像光斑某一个位置对应，在跟踪过程中光斑位置变动时，经过相应的处理电路来控制跟踪反射镜(2)的角度变化，使光斑位置保持不变，确保量子发射光能精确的传输至通信的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种兼容量子光接收与发射的量子通信系统，其特征在于：所述的主望远镜(1)为扩束系统，用于对量子接收光束光斑压缩及量子发射光束发散角压缩。

3.根据权利要求1所述的一种兼容量子光接收与发射的量子通信系统，其特征在于：所述的量子收发孔径分割反射镜(5)是一块具有通光孔的反射镜，其通光孔的大小足以通过量子发射单元(7)发出的量子光束。