CN114826429B - 海水信道量子隐形传态通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水信道量子隐形传态通信方法，包括发送端制备量子态，测量一部分并通过经典信道发送接收端，将另一部分通过海水湍流信道发送接收端；接收端对海水湍流信道参数进行估计，补偿对海水湍流信道传输的数据，以经典信号传输的数据为依据进行相干检测和后处理得到最终的传输数据，完成海水信道量子隐形传态通信。本发明利用基于椭圆光束模型的蒙特卡罗估计方法较好的描述湍流带来的光束展宽与变形，对海水湍流信道参数估计更加准确；同时，利用AO单元组件能够校正高阶波前像差的功能，通过调整AO单元组件的闭环控制带宽，获得更高的混合效率，提高了海水信道条件下CVQT的性能；而且本发明可靠性高、适用性好且稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种海水信道量子隐形传态通信方法。
背景技术
量子隐形传态是量子通信的一个重要组成部分，它应用量子力学的纠缠特性，能在不传输物理载体本身的情况下将一个未知的量子态传送到遥远的地方，从而实现量子态的空间传输。在连续变量量子隐形传态(CVQT)协议中，量子信号的制备过程简单，相干态、压缩态等量子态均可以作为信息的载体；CVQT所使用的平衡零差探测技术是经典光通信中常用的技术，探测技术成熟，探测效率较高；此外，CVQT与经典光通信系统有更好的兼容性，在实际应用方面更具优势。
然而，理想的无限压缩态在物理上不可实现，同时量子系统不可避免地与周围环境相互作用导致量子相干性和纠缠性的退化。因此，在有限压缩及不同损耗信道条件下的提升CVQT系统的性能，成为了研究的重点。同时，CVQT系统的损耗信道已逐渐从最初的光纤信道扩展到自由空间大气信道。然而，基于海水信道的量子通信尚未得到太多关注，这主要是由于海水的组成复杂，且在外部环境因素的动态变化下很难通过精确的模型来表征光在其中的传播特性。此外，海水对光的衰减效应也比光纤和大气信道对光的衰减效应更加严重，这降低了利用海水作为通信媒介的实用性。
针对上述问题，很多研究人员提出了一些具体的保真度提升方法和信道参数估计方法，试图通过引入一些放大器来增加纠缠源纠缠水平，从而提升保真度；但是，放大器的作用是概率成功的，且成功概率与放大器的增益系数值成负相关。因此，所选取的增益系数不能过大；同时，以往信道参数估计方法忽视真实条件下的海水湍流带来的光束改变；因此，在实际工作环境中，系统并不具备很好的普适性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠性高、适用性好且稳定性好的海水信道量子隐形传态通信方法。
本发明提供的这种海水信道量子隐形传态通信方法，包括如下步骤：
S1.发送端制备量子态，将制备的量子态的一部分进行测量，并将测量结果通过经典信道发送至接收端；
S2.发送端将制备的量子态的另一部分通过海水湍流信道发送至接收端；
S3.接收端对海水湍流信道参数进行估计；
S4.接收端对经过海水湍流信道传输的数据进行补偿；
S5.接收端以经典信号传输的数据为依据，进行相干检测和后处理，从而得到最终的传输数据，完成海水信道量子隐形传态通信。
步骤S1所述的发送端制备量子态，将制备的量子态的一部分进行测量，并将测量结果通过经典信道发送至接收端，具体包括如下步骤：
发送端制备双模压缩真空态作为量子态；然后，将制备的双模压缩真空态中的模a通过光纤信道送到发送端50:50分束器；发送端50:50分束器将模a与未知输入态混合，再对输出进行连续变量Bell测量，得到关于正则分量x和p的测量结果，并将测量结果通过经典信道发送至接收端。
所述的双模压缩真空态为由一对简并光参量放大器，在振荡阈值下，在Einstein-Podolsky-Rosen源中制备，对应的特征函数描述为其中γA为模a相空间复振幅，γB为模b相空间复振幅，γAB为空间向量且/> 为γA的共轭，/>为γB的共轭，C为第一协方差矩阵且/>r为压缩参数，cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数，I为单位矩阵，R为第一矩阵且/>通过检测的正则分量测量结果XM为/>PM为/>其中xin为输入态振幅分量，xA为模a振幅分量，pin为输入态相位分量，pA为模a相位分量。
步骤S2所述的发送端将制备的量子态的另一部分通过海水湍流信道发送至接收端，具体包括如下步骤：
发送端将制备的双模压缩真空态中的模b通过海水湍流信道发送至接收端；海水湍流信道的透光特征采用平均透过率η和过噪声ε表示；经过海水湍流信道后，Einstein-Podolsky-Rosen源的特征函数为其中C'为第二协方差矩阵且/>其中r为压缩参数，cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数，I为单位矩阵，R为第一矩阵且/>
步骤S3所述的接收端对海水湍流信道参数进行估计，具体为接收端基于椭圆光束模型的蒙特卡罗方法，对海水湍流信道参数进行估计。
所述的接收端对海水湍流信道参数进行估计，具体包括如下步骤：
A.水下传播光束的轮廓设定为椭圆形，用于表示光束的形变；椭圆形的长半轴长度为w1，短半轴长度为w2；将初始半径为w0的高斯光束水平传播到以a为半径的接收器的过程，用随机变量v＝(x0,y0,Θ1,Θ2)表示，其中(x0,y0)二维光束到达接收器时光束质心坐标，Θi为光束传播过程中的展宽与形变且
B.透过率的概率密度分布其中/>为四维空间实数集，v为描述光束传播的随机变量，/>为椭圆光束模型的方位角，ρG(v)为以v为均值，以/>为协方差的高斯概率密度函数；δ()为冲激函数；η为透过率；η(v,φ)为随机变量v与方位角φ的函数；φ为椭圆光束与接收屏幕之间的方向角；第三协方差矩阵/>为其中/>与/>为光束质心位置在协方差矩阵/>中的表达，/>ω用于描述温度变化的耗散率，ξ用于描述盐度变化的耗散率，常见为ω＝10-5psu2s-1，ξ＝10-6m2s-3，k为波数且λ为波长，z为传播距离，/>为光束的展宽在协方差矩阵/>中的表达且 为描述强湍流的函数且/>Ω为菲涅耳参数且/> 为描述弱湍流的函数且/><ΔΘ1ΔΘ2>为光束的形变在协方差矩阵/>中的表达且/>a1～a5为与湍流有关的常数；
C.平均透过率η由蒙特卡罗方法估计，表示为其中ηext为海水消光效应导致的透过率，且ηext＝e-cz，c为线性条件下海水衰减系数；η0为未经过湍流的透过率；r为波束质心矢量；a为接收器半径；weff()为有效光斑半径的变形函数；/>为光束尺寸函数；/>为光束形状函数。
步骤S4所述的接收端对经过海水湍流信道传输的数据进行补偿，具体包括如下步骤：
a.经过海水湍流信道的模b光束，首先到达AO单元组件的波前校正器；首次经过波前校正器时未形成反馈，不对光束做校正处理；然后，由98:2的分束器对光束进行分流，AO单元组件的波前传感器对分束器分流的光束进行测量，并将波前像差作为反馈信号发送给AO单元组件的波前控制器；
b.AO单元组件的波前控制器以波前传感器的反馈信号为依据，做出对应的动作，控制AO单元组件的波前校正器；
c.AO单元组件的波前校正器对经过的模b光束进行波前校正。
步骤c所述的AO单元组件的波前校正器对经过的模b光束进行波前校正，具体包括如下步骤：
通过改变AO单元组件的闭环控制带宽和湍流相干长度，在考虑AO单元组件本身噪声的影响的基础上，提高检测的混合效率，并提升保真度；
混合效率计算公式为其中εF为拟合误差系数，l为接收器到AO单元组件的波前校正器之间的等效距离，r0为在设定范围内的湍流相干长度，ρ为与波形有关的常量且ρ＝1时为平面波，fG为格林伍德频率，fC为AO单元组件的闭环控制带宽。
步骤S5所述的接收端以经典信号传输的数据为依据，进行相干检测和后处理，从而得到最终的传输数据，具体包括如下步骤：
接收端对校正后的信号执行相干检测并估计过噪声：相干检测为零差检测，依据经典信道传输的位移信息进行调幅和调相，完成调幅，调相操作的相干光通过98:2的分束器与模b光束进行耦合，实现和/>过噪声估计包含海水信道过噪声和AO单元组件产生的加性噪声；xb为模b振幅分量，Pb为模b相位分量，XM与PM为发送端的正则分量测量结果；
耦合光束再经过数据后处理，最终得到了输入态的信息；所述的后处理包括解调和数字信号处理。
所述的数据后处理，具体包括解调和数字信号处理；输出态表示为ψout(γ)＝ψin(γ)ψ(γ*,γ)，其中ψin(γ)为输入态特征函数，ψ(γ*,γ)为传态的特征函数；保真度为其中ψin(γ)为输入态特征函数，ψ* out(γ)为输出态特征函数的共轭；当操作输入态为相干态时，保真度为/>其中η为平均透过率，r为纠缠源压缩水平，ε为信道噪声。
本发明提供的这种海水信道量子隐形传态通信方法，利用基于椭圆光束模型的蒙特卡罗估计方法较好的描述湍流带来的光束展宽与变形，对海水湍流信道参数估计更加准确；同时，利用AO单元组件能够校正高阶波前像差的功能，在固定的r0和fG的情况下，通过调整AO单元组件的闭环控制带宽，获得更高的混合效率，从而大大提高了海水信道条件下CVQT的性能；因此，本发明方法的可靠性高、适用性好且稳定性好。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的系统结构框图示意图。
图3为本发明的发送端与接收端的光路原理示意图。
图4为本发明的Bell测量原理示意图。
图5为本发明的椭圆光束的模型示意图。
图6为本发明的实施例与其他方案的保真度比较结果对比示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的方法流程示意图，图2则为本发明的系统结构框图示意图：本发明提供的这种海水信道量子隐形传态通信方法，包括如下步骤：
S1.发送端制备量子态，将制备的量子态的一部分进行测量，并将测量结果通过经典信道发送至接收端；具体包括如下步骤：
发送端制备双模压缩真空态作为量子态；然后，将制备的双模压缩真空态中的模a通过光纤信道送到发送端50:50分束器；发送端50:50分束器将模a与未知输入态混合，再对输出进行连续变量Bell测量(如图4所示)，得到关于正则分量x和p的测量结果，并将测量结果通过经典信道发送至接收端；具体如图3所示；
双模压缩真空态为由一对简并光参量放大器，在振荡阈值下，在Einstein-Podolsky-Rosen源中制备，对应的特征函数描述为其中γA为模a相空间复振幅，γB为模b相空间复振幅，γAB为空间向量且/> 为γA的共轭，/>为为γB的共轭，C为第一协方差矩阵且/>r为压缩参数，cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数，I为单位矩阵，R为第一矩阵且/>通过检测的正则分量测量结果XM为/>PM为/>其中xin为输入态振幅分量，xA为模a振幅分量，pin为输入态相位分量，pA为模a相位分量；
S2.发送端将制备的量子态的另一部分通过海水湍流信道发送至接收端；具体包括如下步骤：
发送端将制备的双模压缩真空态中的模b通过海水湍流信道发送至接收端；海水湍流信道的透光特征采用平均透过率η和过噪声ε表示；经过海水湍流信道后，Einstein-Podolsky-Rosen源的特征函数为其中C'为第二协方差矩阵且/>其中r为压缩参数，cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数，I为单位矩阵，R为第一矩阵且/>
S3.接收端对海水湍流信道参数进行估计；具体为接收端基于椭圆光束模型的蒙特卡罗方法，对海水湍流信道参数进行估计；
对海水湍流信道参数进行估计具体包括如下步骤：
A.水下传播光束的轮廓设定为椭圆形，用于表示光束的形变，如图5所示；椭圆形的长半轴长度为w1，短半轴长度为w2；将初始半径为w0的高斯光束水平传播到以a为半径的接收器的过程，用随机变量v＝(x0,y0,Θ1,Θ2)表示，其中(x0,y0)二维光束到达接收器时光束质心坐标，Θi为光束传播过程中的展宽与形变且
B.透过率的概率密度分布其中/>为四维空间实数集，v为描述光束传播的随机变量，/>为椭圆光束模型的方位角，ρG(v)为以v为均值，以/>为协方差的高斯概率密度函数；δ()为冲激函数；η为透过率；η(v,φ)为随机变量v与方位角φ的函数；φ为椭圆光束与接收屏幕之间的方向角；第三协方差矩阵/>为其中/>与/>为光束质心位置在协方差矩阵/>中的表达，/>ω用于描述温度变化的耗散率，ξ用于描述盐度变化的耗散率，常见为ω＝10-5psu2s-1，ξ＝10-6m2s-3，k为波数且λ为波长，z为传播距离，/>为光束的展宽在协方差矩阵/>中的表达且 为描述强湍流的函数且/>Ω为菲涅耳参数且/> 为描述弱湍流的函数且/><ΔΘ1ΔΘ2>为光束的形变在协方差矩阵/>中的表达且/>a1～a5为与湍流有关的常数；
C.透过率η由蒙特卡罗方法估计，表示为其中ηext为海水消光效应导致的透过率，且ηext＝e-cz，c为线性条件下海水衰减系数；η0为未经过湍流的透过率；r为波束质心矢量；a为接收器半径；weff()为有效光斑半径的变形函数；/>为光束尺寸函数；/>为光束形状函数；
S4.接收端对经过海水湍流信道传输的数据进行补偿；具体包括如下步骤：
a.经过海水湍流信道的模b光束，首先到达AO单元组件的波前校正器；首次经过波前校正器时未形成反馈，不对光束做校正处理；然后，由98:2的分束器对光束进行分流，AO单元组件的波前传感器对分束器分流的光束进行测量，并将波前像差作为反馈信号发送给AO单元组件的波前控制器；
b.AO单元组件的波前控制器以波前传感器的反馈信号为依据，做出对应的动作，控制AO单元组件的波前校正器；
c.AO单元组件的波前校正器对经过的模b光束进行波前校正；具体包括如下步骤：
通过改变AO单元组件的闭环控制带宽和湍流相干长度，在考虑AO单元组件本身噪声的影响的基础上，提高检测的混合效率，并提升保真度；如图6所示；
混合效率计算公式为其中εF为拟合误差系数，l为接收器到AO单元组件的波前校正器之间的等效距离，r0为在设定范围内的湍流相干长度，ρ为与波形有关的常量且ρ＝1时为平面波，fG为格林伍德频率，fC为AO单元组件的闭环控制带宽；
S5.接收端以经典信号传输的数据为依据，进行相干检测和后处理，从而得到最终的传输数据，完成海水信道量子隐形传态通信；具体包括如下步骤：
接收端对校正后的信号执行相干检测并估计过噪声：相干检测为零差检测，依据经典信道传输的位移信息进行调幅和调相，实现和/>过噪声估计包含海水信道过噪声和AO单元组件产生的加性噪声；xb为模b振幅分量，Pb为模b相位分量，XM与PM为发送端的正则分量测量结果；
完成调幅，调相操作的相干光通过98:2的分束器与模b光束进行耦合，再经过数据后处理，最终得到了输入态的信息；所述的后处理包括解调和数字信号处理；
具体实施时，数据后处理具体包括解调和数字信号处理；输出态表示为ψout(γ)＝ψin(γ)ψ(γ*,γ)，其中ψin(γ)为输入态特征函数，ψ* out(γ)为输出态特征函数的共轭；当操作输入态为相干态时，保真度为其中η为平均透过率，r为纠缠源压缩水平，ε为信道噪声。
以下结合一个实施例，对本发明进行进一步说明：
Alice(发送端)制备一个压缩系数为r纠缠双模压缩真空态。Alice将纠缠态模b0通过平均透过率为η、过噪声为ε的海水湍流信道发送给Bob(接收端)。Bob首先利用基于椭圆光束模型的蒙特卡罗方法估计估计海水湍流信道参数，蒙特卡洛估计执行次数大于10000次认为可信，然后利用自适应光学单元，对参数估计结果进一步处理，以补偿光束展宽与变形的影响，最后执行相干检测。在Alice端，纠缠态模a0与输入态混合后可以通过bell测量(双零差检测)得到正则分量测量结果XM和PM。在Bob端，自适应光学单元的加入提高零差检测的混合效率，执行的位移操作以正则分量的测量结果为依据，输出光束由数据后处理得到副本。
至此，输入态实现了量子隐形传态的全过程，完成了量子态从Alice到Bob的转移，由于Alice对输入态的Bell测量会破坏输入态本身，因此该过程不违背量子不可克隆原理；同时该过程的位移信息由经典通信完成，不是超光速通信。
Claims (8)
1.一种海水信道量子隐形传态通信方法，包括如下步骤：
S1.发送端制备量子态，将制备的量子态的一部分进行测量，并将测量结果通过经典信道发送至接收端；
S2.发送端将制备的量子态的另一部分通过海水湍流信道发送至接收端；
S3.接收端对海水湍流信道参数进行估计；具体为接收端基于椭圆光束模型的蒙特卡罗方法，对海水湍流信道参数进行估计；
具体实施时，包括如下步骤：
A.水下传播光束的轮廓设定为椭圆形，用于表示光束的形变；椭圆形的长半轴长度为w1，短半轴长度为w2；将初始半径为w0的高斯光束水平传播到以a为半径的接收器的过程，用随机变量v＝(x0,y0,Θ1,Θ2)表示，其中(x0,y0)二维光束到达接收器时光束质心坐标，Θi为光束传播过程中的展宽与形变且
B.透过率的概率密度分布其中/>为四维空间实数集，v为描述光束传播的随机变量，/>为椭圆光束模型的方位角，ρG(v)为以v为均值，以/>为协方差的高斯概率密度函数；δ()为冲激函数；η为平均透过率；η(v,φ)为随机变量v与方位角φ的函数；φ为椭圆光束与接收屏幕之间的方向角；第三协方差矩阵/>为其中/>与/>为光束质心位置在协方差矩阵中的表达，/>ω用于描述温度变化的耗散率，ξ用于描述盐度变化的耗散率，常见为ω＝10-5psu2s-1，ξ＝10-6m2s-3，k为波数且/>λ为波长，z为传播距离，/>为光束的展宽在协方差矩阵/>中的表达且/> 为描述强湍流的函数且/>Ω为菲涅耳参数且/> 为描述弱湍流的函数且/>ΔΘ1ΔΘ2为光束的形变在协方差矩阵中的表达且/>a1～a5为与湍流有关的常数；
C.平均透过率η由蒙特卡罗方法估计，表示为其中其中ηext为海水消光效应导致的透过率，且ηext＝e-cz，c为线性条件下海水衰减系数；η0为未经过湍流的透过率；rr为波束质心矢量；a为接收器半径；weff()为有效光斑半径的变形函数；/>为光束尺寸函数；/>为光束形状函数；
S4.接收端对经过海水湍流信道传输的数据进行补偿；
S5.接收端以经典信号传输的数据为依据，对步骤S4得到的补偿后的数据进行相干检测和后处理，从而得到最终的传输数据，完成海水信道量子隐形传态通信。
2.根据权利要求1所述的海水信道量子隐形传态通信方法，其特征在于步骤S1所述的发送端制备量子态，将制备的量子态的一部分进行测量，并将测量结果通过经典信道发送至接收端，具体包括如下步骤：
发送端制备双模压缩真空态作为量子态；然后，将制备的双模压缩真空态中的模a通过光纤信道送到发送端50:50分束器；发送端50:50分束器将模a与未知输入态混合，再对输出进行连续变量Bell测量，得到关于正则分量x和p的测量结果，并将测量结果通过经典信道发送至接收端。
3.根据权利要求2所述的海水信道量子隐形传态通信方法，其特征在于所述的双模压缩真空态为由一对简并光参量放大器，在振荡阈值下，在Einstein-Podolsky-Rosen源中制备，对应的特征函数描述为其中γA为模a相空间复振幅，γB为模b相空间复振幅，γAB为空间向量且/> 为γA的共轭，/>为γB的共轭，C为第一协方差矩阵且/>r为压缩参数，cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数，I为单位矩阵，R为第一矩阵且/>通过检测的正则分量测量结果XM为/>PM为/>其中xin为输入态振幅分量，xA为模a振幅分量，pin为输入态相位分量，pA为模a相位分量。
4.根据权利要求3所述的海水信道量子隐形传态通信方法，其特征在于步骤S2所述的发送端将制备的量子态的另一部分通过海水湍流信道发送至接收端，具体包括如下步骤：
发送端将制备的双模压缩真空态中的模b通过海水湍流信道发送至接收端；海水湍流信道的透光特征采用平均透过率η和信道过噪声ε表示；经过海水湍流信道后，Einstein-Podolsky-Rosen源的特征函数为其中C'为第二协方差矩阵且/>其中r为压缩参数，cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数，I为单位矩阵，R为第一矩阵且/>
5.根据权利要求4所述的海水信道量子隐形传态通信方法，其特征在于步骤S4所述的接收端对经过海水湍流信道传输的数据进行补偿，具体包括如下步骤：
a.经过海水湍流信道的模b光束，首先到达AO单元组件的波前校正器；首次经过波前校正器时未形成反馈，不对光束做校正处理；然后，由98:2的分束器对光束进行分流，AO单元组件的波前传感器对分束器分流的光束进行测量，并将波前像差作为反馈信号发送给AO单元组件的波前控制器；
b.AO单元组件的波前控制器以波前传感器的反馈信号为依据，做出对应的动作，控制AO单元组件的波前校正器；
c.AO单元组件的波前校正器对经过的模b光束进行波前校正。
6.根据权利要求5所述的海水信道量子隐形传态通信方法，其特征在于步骤c所述的AO单元组件的波前校正器对经过的模b光束进行波前校正，具体包括如下步骤：
通过改变AO单元组件的闭环控制带宽和湍流相干长度，在考虑AO单元组件本身噪声的影响的基础上，提高检测的混合效率，并提升保真度；
混合效率计算公式为其中εF为拟合误差系数，l为接收器到AO单元组件的波前校正器之间的等效距离，r0为在设定范围内的湍流相干长度，ρ为与波形有关的常量且ρ＝1时为平面波，fG为格林伍德频率，fC为AO单元组件的闭环控制带宽。
7.根据权利要求6所述的海水信道量子隐形传态通信方法，其特征在于步骤S5所述的接收端以经典信号传输的数据为依据，对步骤S4得到的补偿后的数据进行相干检测和后处理，从而得到最终的传输数据，具体包括如下步骤：
接收端对校正后的信号执行相干检测并估计过噪声：相干检测为零差检测，依据经典信道传输的位移信息进行调幅和调相，实现和/>过噪声估计包含海水信道过噪声和AO单元组件产生的加性噪声；xB为模b振幅分量，PB为模b相位分量，XM与PM为发送端的正则分量测量结果；
完成调幅，调相操作的相干光通过98:2的分束器与模b光束进行耦合，再经过数据后处理，最终得到了输入态的信息；所述的后处理包括解调和数字信号处理。
8.根据权利要求7所述的海水信道量子隐形传态通信方法，其特征在于所述的数据后处理，具体包括解调和数字信号处理；输出态表示为ψout(γ)＝ψin(γ)ψ(γ*,γ)，其中ψin(γ)为输入态特征函数，ψ* out(γ)为输出态特征函数的共轭；当操作输入态为相干态时，保真度为其中η为平均透过率，r为压缩参数，ε为信道过噪声。
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