自由空间量子通信信道建模与仿真分析

发布时间：2020-11-02 05:19

　　 自由空间量子通信,由于其无条件的安全性,无论是在军事领域还是在日常生活当中,都引起了人们的广泛关注。目前,光纤量子通信由于其传输路径的限制,很难取得进一步的突破和进展,为了实现更远距离的通信,自由空间量子通信成为实现超远距离量子通信网的更好选择。单光子在自由空间信道中传输时,不可避免的会受到地域条件以及外界环境的干扰。随着社会的不断发展,环境污染越来越严重,大气湍流强度也随之增强,对单光子传输造成很大的干扰。本文主要研究不同强度大气湍流对单光子在自由空间量子信道中传输的干扰分析。(1)、简要描述了本课题的选题背景及研究意义,自由空间量子信道的历史进程和发展现状。(2)、介绍支撑本文的理论基础。主要内容包含量子比特以及自身的主要特征,星地链路量子通信系统的关键技术。(3)、在不同强度大气湍流的背景下,提出基于单光子的星地链路传输方案。基于本方案,提出星地链路量子信道的单光子接收效率模型,推导并仿真分析了不同强度的大气湍流对其的影响。介绍了单光子在自由空间量子信道中传输时所用到的关键技术,分析了接收端望远镜的天线孔径和传输距离对单光子捕捉率的影响。(4)、基于无共同参考帧的QKD传输协议,提出适应本方案的量子误码率计算模型,详细的分析了不同强度大气湍流对接收端最终密钥生成速率的影响。结合前面提出的单光子接收效率模型,分析不同强度大气湍流对接收端单光子计数的影响。参考经典通信中信道链路利用率模型,提出自由空间量子信道链路利用率模型,分析了大气环境中的温度、风速以及相对湿度对量子信道链路利用率的干扰,仿真分析了其结果,并总结讨论了其结果。本文主要通过分析接收端单光子计数以及最终密钥生成速率,来判定地面发射站和卫星接收端之间的消息传递情况。最后,对全文进行总结和展望,为完成超远距离的量子通信网建设提供参考依据。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O413;TN918
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 选题研究背景与意义
    1.2 自由空间量子信道的研究及发展
    1.3 量子通信系统
        1.3.1 量子通信系统基本模型
        1.3.2 直接量子通信系统
        1.3.3 间接量子通信系统
    1.4 论文整体工作安排
第二章 自由空间量子信道基本理论
    2.1 量子通信基本概念
        2.1.1 量子比特
        2.1.2 量子比特的特性
    2.2 量子通信关键技术
        2.2.1 单光子制备
        2.2.2 经典量子密钥分发协议
        2.2.3 量子信息交换与量子中继
    2.3 量子通信信道概述
        2.3.1 比特翻转信道
        2.3.2 退极化信道
        2.3.3 幅值阻尼信道
        2.3.4 相位翻转信道
        2.3.5 相位阻尼信道
    2.4 量子通信系统指标
    2.5 本章小结
第三章 一种改进的基于单光子的自由空间量子信道传输模型与分析
    3.1 引言
    3.2 单光子在不同强度大气湍流中的传输模型
        3.2.1 单光子在星地链路量子信道中传输的方案提出与分析
        3.2.2 大气湍流模型建立与分析
    3.3 单光子在自由空间系统中的传输分析
        3.3.1 单光子源选取分析
        3.3.2 单光子捕捉技术分析
        3.3.3 接收端单光子检测技术研究
        3.3.4 单光子接收效率模型建立与分析
    3.4 本章小结
第四章 不同强度大气湍流对自由空间量子通信性能的影响分析
    4.1 引言
    4.2 接收端单光子计数研究与分析
        4.2.1 单光子计数模型构建与推导
        4.2.2 单光子计数模型仿真分析
    4.3 最终密钥生成率建立与分析
        4.3.1 最终密钥生成率模型构建与推导
        4.3.2 最终密钥生成率模型仿真与结果分析
    4.4 量子信道链路利用率模型的构建与分析
    4.5 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 未来展望
参考文献
致谢
作者简介

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本文编号：2866624