CN1545228A - 使用原子滤光器的空间量子通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用原子滤光器的空间量子通信装置，属量子通信领域，该装置由分束器2、两个λ/2波片3和10、λ/4波片4、两个偏振分束器5和11、两个原子滤光器6和12、两个光耦合器7和13、两根光纤8和14、两个单光子探测器9和15组成，主要特征是使用超窄线宽原子滤光器替代现有量子通信装置中使用的干涉滤光片。其优点在于：由于原子滤光器工作带宽比干涉滤光片的工作带宽约窄3个数量级，且其具有10－5的本底光噪声抑制比，因此，可以使空间量子密码通信系统降低由于背景噪声引起的误码率2－3个数量级，增加空间量子密码通信的距离，本发明可在阳光或月光等背景光辐射下正常工作。

Description

使用原子滤光器的空间量子通信装置
技术领域：
本发明涉及量子通信，更具体涉及使用原子滤光器的空间量子通信装置。
背景技术：
密码通信是一种能让通信双方在绝密状态下交换消息的信息传送方式。许多国家都非常重视密码通信的研究。现今，密码已是政府、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。计算机的飞速发展却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。量子密码术是一门崛起的新兴技术，其传输的安全性基于量子力学的海森伯格(Heisenberg)测不准原理。量子密码通信无疑在这一领域开辟了一个崭新的天地。而且，其近期迅猛的发展和广阔的应用前景倍受瞩目。
量子密码通信是使用光子状态作为信息的传送载体。自由空间通信中，大气层在光学波段是无双折射的，这使得光子的偏振状态可以在其中保真传送。存在两大有待解决的问题是：1)单光子传送媒介的起伏；2)在强的背景光下的单光子探测问题。基于光子偏振编码的量子密码通信，通常使用窄带宽干涉滤光片或者光纤空间滤光方法滤除背景光噪声进行实验演示，可以使上述问题得以部分解决，在晚上或者白天工作。
2002年10月，在德、奥边境月光下成功地传输了量子密钥，原码传输率为1.5-2kHz，误码率5％，距离达到23.4公里。这是迄今为止所报导的自由空间密钥传送的最远距离，也表明了量子通信实用化的可能性。
自由空间量子密码通信的前景在于通过近地卫星进行地对星、星对星的安全密码传送和建立全球密码传送的空间网络。现今的技术已经可以达到在27db传输损失的成功传送。如果提高接收效率，减少背景光噪声，信道可以承受33db的损失，使得对500-1000公里近地卫星的密码传送成为可能。
现有的量子通信装置是在随机编码序列脉冲单光子束入射到分束器前，先通过干涉滤光片滤光，之后不再滤光，其不足之处在于，由于常用干涉滤光片的工作带宽较宽，本底光噪声抑制比较低，因此，产生较高的误码率。
原子滤光的方法具有高透射，超窄滤光带宽，大角度接收，响应速度快，工作频率在一定范围内可调谐等特点。因此，被广泛应用于激光通讯，激光雷达和高速光调制等领域。大气激光通信实验通常是在光功率为mW/cm2或者μW/cm2量级的较强入射激光情况下进行的，而量子保密通信需要在单光子水平条件下对信号进行保真传送。
发明内容：
本发明的目的是：提供一种使用原子滤光器的空间量子通信装置，该装置的主要特征是使用超窄线宽原子滤光器替代现有量子通信装置中使用的干涉滤光片。优点是：可减少由背景光噪声引起的误码率，增长通信距离，使量子通信装置能更好地在白天和月光下工作，实现量子通信装置的实用化。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
使用原子滤光器的空间量子通信装置由分束器、两个λ/2波片、λ/4波片、两个偏振分束器、两个原子滤光器、两个光耦合器、两根光纤和两个单光子探测器组成，在分束器光透射端的光子信道上依次放置有第一λ/2波片、λ/4波片、第一偏振分束器、第一原子滤光器和第一光耦合器，它们的中心均与分束器的中心同轴；第一光耦合器通过第一光纤与第一单光子探测器连接。在分束器光反射端的光子信道上放置第二λ/2波片和第二偏振分束器，它们的中心均与分束器反射面的中心同轴；第二原子滤光器和光耦合器放置依次放置在第二偏振分束器光反射端的光子信道上，它们的中心均与第二偏振分束器反射面的中心同轴；第二光耦合器通过第二光纤与第二单光子探测器连接。
本发明的工作流程为：当随机编码序列脉冲单光子束入射到本发明的50％分束器上时，单光子随机透射或者反射。当信号光子透射时，经过第一λ/2波片偏振面发生偏转，再通过λ/4波片变成圆偏振的光子，再经第一偏振分束器选择透射光子，然后通过第一原子滤光器，滤除通信通道中的阳光、月光等本底噪声，信号光子再经过第一光耦合器进入第一光纤传输至第一单光子探测器，第一单光子探测器接收光子信号并将其转换成电信号。当信号光子被反射时，则信号光子经过第二λ/2波片，偏振面发生偏转，再经第二偏振分束器选择反射光子，然后通过第二原子滤光器，滤除通信通道中的阳光、月光等本底噪声，信号光子再经过第二光耦合器进入第二光纤传输至第二单光子探测器，第二单光子探测器接收光子信号并将其转换成电信号。
本发明专利与现有技术相比具有以下优点：由于原子滤光器工作带宽比干涉滤光片的工作带宽约窄3个数量级，且其具有10-5的本底光噪声抑制比，因此，可以使空间量子密码通信系统降低由于背景噪声引起的误码率2-3个数量级，增加空间量子密码通信的距离，本发明可在阳光或月光等背景光辐射下正常工作。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
其中：1为激光脉冲单光子束、2为50％分束器、3和10为λ/2波片、4为λ/4波片、5和11为偏振分束器、6和12为原子滤光器、7和13为光耦合器、8和14为光纤、9和15为单光子探测器。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明作进一步的描述。
使用原子滤光器的空间量子通信装置由分束器2、两个λ/2波片3和10、λ/4波片4、两个偏振分束器5和11、两个原子滤光器6和12、两个光耦合器7和13、两根光纤8和14、两个单光子探测器9和15组成，在分束器2光透射端的光子信道上依次放置有第一λ/2波片3、λ/4波片4、第一偏振分束器5、第一原子滤光器6和第一光耦合器7，它们的中心均与分束器2的中心同轴；第一光耦合器7通过第一光纤8与第一单光子探测器9连接。在分束器2光反射端的光子信道上放置第二λ/2波片10和第二偏振分束器11，它们的中心均与分束器2反射面的中心同轴；第二原子滤光器12和光耦合器13放置依次放置在第二偏振分束器11光反射端的光子信道上，它们的中心均与第二偏振分束器11反射面的中心同轴；第二光耦合器13通过第二光纤14与第二单光子探测器15连接。
本发明的工作流程为：当随机编码序列脉冲单光子束1入射到本发明的50％分束器2上时，单光子随机透射或者反射。当信号光子透射时，经过第一λ/2波片3偏振面发生偏转，再通过λ/4波片4变成圆偏振的光子，再经第一偏振分束器5选择透射光子，然后通过第一原子滤光器6，滤除通信通道中的阳光、月光等本底噪声，信号光子再经过第一光耦合器7进入第一光纤8传输至第一单光子探测器9，第一单光子探测器9接收光子信号并将其转换成电信号。当信号光子被反射时，则信号光子经过第二λ/2波片10，偏振面发生偏转，再经第二偏振分束器11选择反射光子，然后通过第二原子滤光器12，滤除通信通道中的阳光、月光等本底噪声，信号光子再经过第二光耦合器13进入第二光纤14传输至第二单光子探测器15，第二单光子探测器15接收光子信号并将其转换成电信号。

Claims (1)

1、使用原子滤光器的空间量子通信装置，其特征在于，该装置由分束器(2)、两个λ/2波片(3、10)、λ/4波片(4)、两个偏振分束器(5、11)、两个原子滤光器(6、12)、两个光耦合器(7、13)、两根光纤(8、14)、两个单光子探测器(9、15)组成，在分束器(2)光透射端的光子信道上依次放置有第一λ/2波片(3)、λ/4波片(4)、第一偏振分束器(5)、第一原子滤光器(6)和第一光耦合器(7)，它们的中心均与分束器(2)的中心同轴；第一光耦合器(7)通过第一光纤(8)与第一单光子探测器(9)连接，在分束器(2)光反射端的光子信道上放置第二λ/2波片(10)和第二偏振分束器(11)，它们的中心均与分束器2反射面的中心同轴；第二原子滤光器(12)和光耦合器(13)放置依次放置在第二偏振分束器(11)光反射端的光子信道上，它们的中L心均与第二偏振分束器(11)反射面的中心同轴；第二光耦合器(13)通过第二光纤(14)与第二单光子探测器(15)连接。
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