[发明专利]用于自由空间量子信道性能的改进方法

说明书

本发明涉及用于自由空间量子信道性能的改进方法，包括以下步骤：地面站的发送终端发射单光子脉冲，单光子脉冲首先穿过大气层，然后传输到卫星接收端；卫星接收端将获得的单光子脉冲反射到地面站的接收终端，所述接收终端采用单光子探测器接收信号，获取能量hv，能量hv触发计数器工作并同时对单光子进行计数。本发明给出了在不同强度大气湍流干扰条件下的单光子接收效率模型，另外接收终端选择合适的天线孔径可以确保更高的单光子接收率。

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及用于自由空间量子信道性能的改进方法。

背景技术

单光子在自由空间量子通信信道传输过程中，其传输距离受到大气环境以及实验设备等障碍的限制。最关键的问题是由于大气湍流所引起的光束漂移、展宽和变形，以及光学系统对单光子波束在外界环境传输的稳定性保障。同时，单光子波束在传输过程中还会受到地球上地理方面(曲率、地形、障碍等)的约束，以及来自大气下层辐射的吸收。大气湍流，即大气运动的一种主要形式，是单光子在自由空间中传输的主要障碍。

根据传输信道的不同，量子通信可以划分为两大类，即光纤通信和自由空间量子通信。由于单光子探测器端的噪声干扰以及单光子在量子信道传输过程中的链路损耗，光纤通信的最远传输距离受到了很大的限制。因为大气层的有效厚度约为5-10km，单光子在外太空传输过程中的能量衰减近似为0。因此，自由空间量子通信成为了实现全球化量子通信的最佳选择。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明公开了用于自由空间量子信道性能的改进方法，给出了在不同强度大气湍流干扰条件下的单光子接收效率模型，另外接收终端选择合适的天线孔径可以确保更高的单光子接收率。

用于自由空间量子信道性能的改进方法，包括以下步骤：

地面站的发送终端发射单光子脉冲，单光子脉冲首先穿过大气层，然后传输到卫星接收端；

卫星接收端将获得的单光子脉冲反射到地面站的接收终端，所述接收终端采用单光子探测器接收信号，获取能量hv，能量hv触发计数器工作并同时对单光子进行计数；

在时间间隔[t₀,t₀+T]内，接收终端统计到n个单光子的概率p(n)可以表示为

其中，q为平均单光子数，可以表示为

这里，p代表接收终端单光子接收效率，T是光电子技术间隔，I(t)指的是接收终端的场强，其中t0代表某个时间点。

在本发明一个优选实施例中，接收终端单光子接收效率p被定义为：

p＝p_acq×K (3)

其中，p_acq表示望远镜天线孔径的单光子捕捉率，K表示光脉冲信号透过大气湍流的效率，即单光子脉冲的波动强度透射率。

在本发明一个优选实施例中，望远镜天线孔径的单光子捕捉率可以表示为：

式中，a表示接收端望远镜的天线孔径，L是单光子发射端与卫星接收端之间的传输距离，θ₀表示的是远场发散角；

单光子脉冲的波动强度透射率可以表示为：

其中，A表示的是光圈面积，表示的是整个平面的归一化强度。

在本发明一个优选实施例中，当传输距离为20km，接收端天线孔径为50cm时，接收端的单光子捕捉率最大达到0.7506。