[发明专利]一种基于圆偏振态编码的全天时量子通信方法

说明书

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。

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。