CN108667528A - 一种基于圆偏振态编码的全天时量子通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆偏振态编码的全天时量子通信方法，创新性地使用近红外乃至更长波段附近2个波长极其接近的光子的左旋、右旋态作为两对正交基矢，来替代传统的线偏振编码的直线基和对角基。相比于传统的线偏振编码技术，圆偏振单光子编码技术能够增强光量子传播过程中对大气环境的抗干扰能力，提高了信息的传输效率，有效降低探测时白天天空背景噪声的影响，减少了密钥传输的误码率。该方法能够克服目前星地量子通信中线偏振态编码方式给量子密钥的传输效率和成码率带来的负面影响，是一种无需星地基矢校正的透云穿雾的量子通信新方法，为实现全天候星地量子通信提供了一条新的路径。

Description

一种基于圆偏振态编码的全天时量子通信方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信类，具体是指一种基于圆偏振单光子编码的全天时星地量子通信方法。

背景技术

基于卫星的量子通信脱离了光纤通道的束缚，在大气或真空中传递信息，可以实现远距离无线通信，能覆盖全球范围，是构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段，具有广阔的应用前景。随着世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”的成功发射，卫星运行1年多以来，在国际上成功实现了首次星地量子通信，并取得了一系列重大研究成果，提前圆满完成了三大既定科学目标：千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验、卫星到地面的量子密钥分发、地面到卫星的量子隐形传态。这为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究奠定了可靠的技术基础，标志着量子通信技术已经进入到卫星时代。“墨子号”量子卫星成功运行的同时，仍然面临着一些重要的挑战和难题迫切需要解决。

1、“墨子号”怕光的问题：“墨子号”十分“怕光”，目前的量子通信实验，都是在晴朗的夜晚中完成的。“墨子号”为什么“怕光”呢？主要是因为量子通信的信息载体是单光子，是光的最小能量单元，探测单光子的单光子探测器对背景光极其敏感。目前量子通信实验应用的波段集中在800nm附近，这一波段在太阳光中的含量较大，白天阳光造成的噪声，比夜晚要高5个数量级。白天进行量子通信是，携带有效信息的单光子会被淹没在阳光的背景噪声中。“墨子号”量子卫星仍属于低轨卫星(轨道高度500公里到600公里左右)，相对地面飞行速度较快(约每秒钟8公里)，每次过站时间小于10分钟。大约有68％的时间暴露在阳光下，受阴雨天气条件的限制，至少需要三天才能完成全球站点覆盖。还无法满足全天候全球化实时量子通信的需求，为了搭建全球量子通信网络，必须发射更多低轨或高轨的量子通信卫星，组建星座，实现在地球上的任意地点均可进行量子通信。随着星座中卫星轨道升高，对地面覆盖范围增加，同时卫星被太阳光照射的概率增大，如轨道高度36000km的地球同步轨道卫星被太阳光照射的概率达99.4％。如何让量子星座在太阳光背景下工作，尽可能的减小探测端受太阳背景噪声的影响是空间量子通信急需解决的问题。实现白天自由空间远距离的量子密钥分发，证实了阳光下星地、星间量子通信的可行性，是通向量子通信星座的必经一步。

2、较大的信道衰减：目前，对于千公里级的星地链路，信道衰减大约在40-50dB。这主要是由于大气衰减、大气散射、大气湍流等对量子光吸收、束散角及偏振态的影响。大气信道中的气体分子、气溶胶粒子、雾霾粉尘等会对光信号造成很大的衰减，大气湍流造成的光束漂移、扩展、光斑破碎等现象会使光信号的强度发生起伏，同时给通信两端的捕获、对准和跟踪带来困难。大气折射率随海拔高度的变化，导致星地通信光束的传输路径呈曲线，使通信两端的对准出现偏差。具有相对运动的两点进行通讯时,从发射端发射出来的光信号的两个正交偏振方向相对接收端是变化的,进而给接收端的信号检偏带来困难。因此这就需要复杂的星地光路快速捕获与高精度跟踪瞄准技术、复杂光机系统高保真偏振调制技术等来确保星地链路的高效建立。复杂的光机系统增加了使用光学元件的数量，会进一步的增加光信号的衰减和误码率。

目前星地量子通信采用的量子光是采用线偏振态编码，这种线偏振态的编码方式会给量子密钥的传输效率和成码率带来3方面的负面影响：

1光子在外太空传播到大气层是发生折射，导致通信光束的传输路径发生变化，大气折射率随海拔高度和方位角的不同，变化呈曲线，使通信两端的对准出现偏差，并且引起光子偏振态的变化。

2具有相对运动的两点进行通讯时,从发射端发射出来的光信号的两个正交偏振方向相对接收端是变化的,进而给接收端的信号检偏带来困难。为了消除光子偏振态变化的影响，需要复杂的星地光路快速捕获与高精度跟踪瞄准技术、复杂光机系统高保真偏振调制技术等来确保星地链路的高效建立。复杂的光机系统增加了使用光学元件的数量，进而提高了光信号的衰减和误码率。

3太阳所发出来的自然光本身是非偏振的，然而当太阳光通过地球大气的过程中，受到大气成分中的空气分子、雾霾颗粒及气溶胶的影响之后，会对自然的阳光产生散射，进而发生了偏振现象。经过散射的偏振光在天空中可以形成稳定的线偏振模式，这种稳定的线偏振模式被形象的称之为天空的指纹，其中包含的方位信息可以被用于导航定向。实验研究发现，在特殊天气和天空方位角下，偏振分布的最大线偏振度可达0.9以上。天空偏振模式的存在对基于线偏振编码的量子密钥分发带来极大的负面影响，使得白天阳光的背景噪声对量子密钥测量时不同线偏振态影响产生较大的差异，造成解码误码率增大。同时由于大气分布的非均质性和实时变化的特点，导致了大气偏振光模式的不稳定性，随时间发生变化，这一特点也给对偏振背景噪声的消除带了很大的难度。

发明内容

本发明的目的是:

为解决“星地量子通信”怕光的问题，抑制白天阳光背景噪声。实现全天时的抗干扰的高效噪声抑制的量子通信方案，为未来覆盖全球的量子通信卫星网络—“量子星座”提供可靠的技术基础。

保持足够高的信噪比，是白天量子通信要攻克的核心问题。为消除线偏振编码的负面影响，提高白天量子通信的信噪比，我们提出采用左、右旋圆偏振光进行量子密钥分发的设想,即将经过信号调制的两个正交偏振的线偏振光分别转化为左旋圆偏光和右旋圆偏光。这种方案的优点是只需在接收端区分出左旋圆偏光和右旋圆偏光就可以实现相对运动点之间的激光束偏振复用通讯,特别适合于搭载于移动平台(如飞机、卫星等)上的通信终端。

通过将量子通信的波段往近红外乃至更长的波段发展。太阳光背景噪声主要包括太阳光直射部分和经大气分子散射部分。根据太阳光辐照谱，波长越长辐照度越小，根据瑞利散射定律的波长四次方反比关系，波长越长，大气散射对该波段的散射也越小。例如1550nm波段，太阳光的辐射强度只有800nm的1/3左右；光子的大气散射只有800nm光子的7％；总的下来，太阳光在1550nm产生的背景噪声约只有800nm的3％。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出了一种基于圆偏振单光子编码的全天时星地量子通信新方法。其中光源选择近红外乃至更长波段的光源(例如1550nm波段)，产生圆偏振光。对于量子通信而言，两组正交基矢的随机选择是保证通信过程绝对安全的关键环节。例如，对于线偏振，分别采用直线基(0°,90°)和对角基(45°,-45°)。而圆偏振光只有左旋和右旋这一对正交基矢，无法进行绝对安全的编码。为此，我们创新地使用了2个波长极其接近的光子作为随机数，来替代传统线偏的直线基和对角基，如图1所示。

本发明的优点在于：

圆偏调制是在正交线偏振调制的基础上提出的，该调制方式具有线偏振调制的低误码率特性，同时相比线偏振调制具有两个优点：(1)圆偏振单光子具有旋转对称性，光信号的旋光方向不受通信终端的相对转动影响，因此接收端仍然可以正常判断出传送的数据，系统性能未受影响，简化信号接收端的光学系统复杂度，进而提高收集效率；(2)圆偏振单光子在自由空间传输过程中受到大气吸收、散射和湍流的影响非常小，增强了传输过程中的抗干扰能力，降低了传输过程中的误码率，提高了传输的距离。(3)更关键的是，太阳光中圆偏振光成份相对较少，以圆偏振光进行编码能够大幅度的减小白天天空线偏振分布带来的背景光分布差异引起的影响。

附图说明

图1为：基于圆偏振态编码的测量基。

图2为：基于圆偏振单光子编码的量子密钥分发方案光学配置图。

图3为：基于BB84协议的量子密钥分发及验证演示。

具体实施方式

为了避开太阳可见光部分背景的干扰，选择波长λ₁＝1549.9nm，λ₂＝1550.1nm，作为一对随机基矢，分别记作"1"和"2"，对应"1"的测量基矢为|1R>、|1L>，对应"2"的测量基矢为|2R>、|2L>(如附图1所示)，左旋(R)和右旋(L)偏振态分别对应信号0和1。如附图2所示，在发射端，随机选择激光波长"1"或者"2"，产生相应的基矢信号，在接收端，通过随机选择针对"1"和"2"的窄带滤波片来对基矢信号进行滤波，如选择针对"1"的滤波器1来测量|1R>，会以100％的概率得到|1R>，但若选择滤波器1来测量|2R>，则得不到任何信息，因而无法判断是|2R>还是|2L>，致使原始状态的消息丢失。以经典的BB84协议为例，具体的量子传输过程如下所示(如附图3所示)：

(1)信源(Alice)随机选择一个基矢("1"或"2")，随机产生一个偏振态光子发送给Bob，并且将随机偏振态包含的基矢和位信息存储到本地。选择基"1"时把比特0制备成|1R>，把比特1制备成|1L>；选择基"2"时，把比特0制备成|2R>，把比特1制备成|2L>。光子的偏振态被制备好之后，Alice把这个光子通过量子信道传送给信宿(Bob)。

(2)信宿(Bob)随机选择窄带滤波片1和窄带滤波片2来接收信号，如果基"1"进入滤波片1对应的光路，Bob可以正确测量记录接收到的量子状态；如果基"1"进入滤波片2对应的光路，Bob将测量不到任何信号，得不到任何信息，无法知道此次传输的量子状态。相似的，如果基"2"进入滤波片2对应的光路，Bob可以正确测量记录接收到的量子状态；如果基"2"进入滤波片1对应的光路，Bob将测量不到任何信号，得不到任何信息，无法知道此次传输的量子状态。

(3)Bob将测量基矢信息(即滤波片选择信息)发送给Alice(没有测到光子的为无效基矢)；Alice将Bob的测量基与自己发送光子的基矢作比较，两者使用基矢相同时为有效密钥，将有效密钥提取，然后生成新的密钥串，并且将有效密钥的序列信息发送给Bob；

(4)Bob根据序列信息提取有效密钥，然后生成新的密钥串(初始密钥)；如果Bob根据Alice发送的序列信息提取有效密钥的过程中，发现有无效基矢的存在，则判断窃听者(Eve)存在。如果判断出Eve存在，并且超过了安全阈值，双方舍弃密钥。如果判断Eve不存在或者满足安全阈值，进入下一步。

(5)Alice和Bob根据误码率作相应的误码纠错、私钥放大和密钥提纯操作，最后生成密码本(最终密钥)。

由于采用BB84协议，随机选择测量基，圆偏振光编码方式的有效密钥生成率与线偏振光编码方式一样，都是50％。但是，圆偏振光编码方式检测到的都是正确信息，因此其误码率≈0，在比对初始有效密钥的过程中，一旦发现超出安全阈值的无效基矢的存在，即可判断出Eve的存在，因此，防窃听能力增强。

Claims (1)

1.一种基于圆偏振态编码的全天时量子通信方法，其特征在于：

(1)采用2个波长极其接近的光子作为随机基矢，两者波长差≤1nm，分别记作"1"和"2"，相应的左旋偏振态R和右旋偏振态L分别代表0和1，对应波长"1"的基矢为|1R>、|1L>，对应波长"2"的基矢为|2R>、|2L>，其中光源选择近红外乃至更长波段的光子源；

(2)在发射端，随机选择激光波长"1"或者"2"，产生相应的基矢信号；

(3)在接收端，通过随机选择针对波长"1"和"2"的超窄带滤波片来对基矢信号进行滤波，超窄带滤波片在实现随机基矢探测的同时，能够进一步抑制背景噪声。