量子激光雷达探测方式和性能提高的研究
本文关键词：量子激光雷达探测方式和性能提高的研究 出处：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：由于量子态独特的非经典属性使得量子理论和技术产生了重要的潜在应用价值。量子理论和技术的成熟促进了量子通讯,量子计算,量子度量干涉和传感等领域的长足发展。自由空间量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)已取得初步成功,以量子度量理论为基础的引力波探测(laser gravitational wave observation,LIGO)已经实现。在上述技术的发展过程中,量子传感理论也开始崭露头角,如量子微波雷达,量子脉冲压缩激光雷达,量子增强激光雷达和量子安全成像激光雷达等。量子激光雷达是激光雷达技术和量子信息技术相融合的产物。相对于传统激光雷达,量子激光雷达具有抗干扰性,高灵敏度,高的距离分辨率和角分辨率等优点,已经成为当前激光雷达领域研究热点之一。本论文将对量子激光雷达及其性能进行系统的理论和实验研究。首先,设计了一种伪随机调制量子安全激光雷达系统(pseudorandom modulation quantum secured lidar,PMQSL),并对该系统进行了整体结构设计和性能研究。理论上分析了伪随机码序列相关测距的分辨率和测距精度,同时推算了探测信号的信噪比。结合量子秘钥分发的BB84安全协议分析了该系统的测距安全性问题,确定了该系统的误码率安全阈值。研究表明当系统没有受到攻击时,测距精度能达到厘米量级。然而,当系统受到攻击时,系统的测距精度和信噪比都会大大降低,这也预示着攻击者的存在。测距精度的实验结果和数值模拟吻合的很好。原理验证实验表明,该系统具有好的测距和反接收-转发式攻击能力。研究了相干叠加态(coherent superposition states,CSS)超分辨率量子激光雷达的分辨率和灵敏度。这种激光雷达可以通过光子数分辨探测器或者量子零差探测技术得以实现,其灵敏度可达到散弹噪声极限,分辨率远远高于瑞利衍射极限。推导了强度差探测和投影探测方式下系统的输出信号及其灵敏度的表达式。同时,深入地分析和讨论了叠加相干态超分辨率的物理本质。进一步研究了损耗和噪声环境中该激光雷达的综合性能,分别利用二值输出奇偶光子计数和零-非零光子计数探测(即Z-探测或on-off探测)方法推导了马赫-曾德尔干涉仪(Mach Zehnder interferometry,MZI)输出信号的表达式。利用传统的主方程方法研究了相位噪声对该激光雷达性能的影响。研究表明在实际环境中,相对于传统的相干态(coherent states,CS)而言,相干叠加态在信号灵敏度和分辨率方面更具优势。根据光子计数测量和二值输出数据处理方法得出的条件概率的一般表达式提出了纠缠相干态(entangled coherent states,ECS)干涉型量子激光雷达的标准描述。首先展示了二值输出奇偶光子计数探测信号的概率和奇偶信号的平均值,借助于数值计算展示了N重超分辨率信号,即突破了瑞利衍射极限。与传统相干态的奇偶探测和强度探测相比,本方案的分辨率分别提高了N和N倍,其中N是平均光子数。研究了损耗条件下信号的分辨率和最优相位灵敏度随损耗率的变化关系。其次,根据主方程方法数值分析了相位噪声对ECS探测性能的影响。最后,分析了Z-探测方法,结果表明在相位扩散条件下奇偶探测信号的灵敏度高于Z-探测,这和相干态的理论和实验结果正好相反。最后,研究了光子损耗和相位噪声环境中相干态量子激光雷达的最优探测方法。利用泰勒级数将干涉信号和相位扩散过程产生的相位噪声分离开来,干涉信号及其灵敏度的表达式就可以通过二值输出零差探测、奇偶光子计数探测和零-非零光子计数探测方法进行解析求解。从这些解析解中就可以看出,相位噪声和光子数损耗降低了干涉信号的相干性并进一步降低了系统性能。数值结果表明在相位扩散区2κ10-内零差探测拥有最好的分辨率和灵敏度,在剩余区域内奇偶探测信号的分辨率最好而Z-探测信号的灵敏度最高。此外,Z-探测信号的灵敏度在有无噪声和损耗时均优于奇偶探测。
[Abstract]:The quantum key distribution ( QKD ) has been successfully developed in the field of quantum key distribution ( QKD ) . In this paper , we study the effect of phase noise on the detection performance of ECS by using Taylor series . The results show that the sensitivity of this scheme is higher than that of Z - detection . The results show that the sensitivity of the signal is higher than that of the conventional coherent state .
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN958.98
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 夏云杰,郭光灿;奇偶相干态的某些性质[J];量子电子学;1988年04期
2 马永健,许伯威;关于相干态随时间演化的一个简单证明[J];上海交通大学学报;1988年03期
3 孙金祚,王继锁,王传奎;奇偶相干态的新的高阶压缩[J];量子电子学;1992年04期
4 邵彬，王荣瑶;偶奇相干态的么正变换及其高阶压缩特性[J];量子电子学;1995年03期
5 彭石安;领头项相干态及其非经典性[J];量子光学学报;1997年02期
6 范洪义,冯洛瑜;相干态: 从玻色子到费米子[J];大学物理;1997年07期
7 路洪,郭光灿;压缩奇偶相干态的量子统计性质[J];光子学报;1998年12期
8 曾爱华,曾浩生,匡乐满;八光子相干态是类虚化态[J];湖南师范大学自然科学学报;1998年02期
9 曾爱华,曾浩生;四光子相干态是类虚化态[J];量子光学学报;1998年01期
10 路洪,郭光灿;叠加激发相干态的非经典性质[J];物理学报;1999年09期
相关会议论文 前7条
1 刘亚宁;陈涛;;生命系统的相干态[A];第11届全国发光学学术会议论文摘要集[C];2007年
2 董裕力;邹旭波;郭光灿;;局域和非局域的已知相位相干态克隆[A];第十三届全国量子光学学术报告会论文摘要集[C];2008年
3 王继锁;孙长勇;;双参数形变奇偶相干态的非经典特性[A];第七届全国量子光学学术报告会论文摘要集[C];1996年
4 曾然;刘树田;羊亚平;;相空间中相互垂直的相干态迭加态以及相应的双模纠缠态研究[A];第十二届全国量子光学学术会议论文摘要集[C];2006年
5 周建英;罗琦;戴德昌;余向阳;V．Ninulescu;李青;丘志仁;罗莉;王干全;李真;陈磊;;固体激元的相干瞬态过程与相干控制—飞秒相位光谱技术与应用[A];第四届全国光学前沿问题研讨会论文摘要集[C];1999年
6 陈金金;K.T.Hecht;冯达旋;;从弗米空间到弗米—玻色空间的映射——矢量相干态理论的新认识[A];第八届全国核物理会议文摘集（上册）[C];1991年
7 詹佑邦;朱小芹;;Kerr偶奇相干态的统计性质[A];第七届全国量子光学学术报告会论文摘要集[C];1996年
相关博士学位论文 前3条
1 余文斌;多方计算问题及光场相干态信号量子检测的研究[D];南京邮电大学;2014年
2 王强;量子激光雷达探测方式和性能提高的研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
3 杨大宝;量子几何相位及其相关物理问题[D];南开大学;2012年
相关硕士学位论文 前4条
1 姚飞;原子相干态在量子度量中的应用[D];曲阜师范大学;2015年
2 吴毅;低维囚禁与反囚禁电子相干态的绝热演化[D];湖南师范大学;2008年
3 侯丽珍;广义SU（1，1）相干态[D];湖南师范大学;2001年
4 王倩;基于相干态光量子系统的偏振调制解调器的设计与实现[D];上海交通大学;2007年
，本文编号：1392570
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/1392570.html
