[发明专利]一种用于星地下行链路的纠缠光子对传输率估计方法

说明书

本发明公开了一种用于星地下行链路的纠缠光子对传输率估计方法，主要解决现有技术中传输率估计方法不明确不全面的问题。本发明实现的步骤如下，(1)大气信道传输纠缠光子对；(2)测量星地距离；(3)估计湍流作用下的光子传输率；(4)计算单光子星地下行链路的传输率；(5)估计纠缠光子对传输率。本发明综合考虑大气、系统、湍流带来的影响，通过在两个地面站分别采用三组测量基和两组测量基接收计数的方法进行纠缠光子对传输率的估计，提高了传输率的估计精度。可用于进行量子通信过程中的贝尔态测量，确保传态保真度。

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及量子通信技术领域中的一种用于星地下行链路的纠缠光子对传输率估计方法。本发明通过综合考虑大气、系统、湍流带来的影响，通过在两个地面站分别采用三组测量基和两组测量基进行纠缠光子对接收的方法，估计纠缠光子对的下行链路传输率，据此进行量子通信过程中的贝尔态测量，确保传态保真度。

背景技术

因为光纤材料的距离限制，量子通信一般通过自由空间传输。相对于光纤，自由空间不存在双折射，路径的传输损耗相对光纤要低很多，特别是在真空，因为没有大气的传输损耗，光几乎可以无损传输，且自由空间不需要进行前期铺设及或其维护，成本更低。但是它是一个开放的体系，受外界影响较大。对GEO卫星-地面站的星地信道而言，影响星地光量子传输率的因素包括发射光学系统、发射天线、大气信道、接收天线和接收光学系统。同时大气湍流引起的衰减和光束扩展的影响也不可忽视。

卫星上制备一个纠缠光子对，纠缠光子对中的两个光子分别发往A站和B站(或者只发送A站，B站不发送)，假设每个脉冲中每个光子独立传输，同时考虑暗计数，A站和B站各自对每组光子进行独立测量，其中测量基矢从两个特定基矢中随机选取。经过多次测量后，获得两个光脉冲同时被A和B计数的概率，进而得到卫星发送的每个纠缠对成功地被两个地面站计数的概率。

Hennes Henniger等人在其发表的论文“AnIntroduction to Free-spaceOptical Communications”(《RADIOENGINEERING》,203-212,2010.)中公开了一种计算星地自由空间光通信中光子损耗功率的估计方法。该方法考虑光学系统以及大气信道和湍流的影响，计算光子传输过程中的链路损耗。首先，反映了所有系统依赖的损失，它包括因链路失调而造成的损失、望远镜损耗、跟踪系统因光分裂而造成的损失等。然后考虑收发系统的的损耗，包含了发射功率，发射天线增益，接收天线增益。最后，将大气湍流引起的影响计入损耗，将所有的功率相乘获得总的功率损耗。但是，该方法仍然存在的不足之处是，该方法只考虑大气层不同气候下的天气状态，未考虑光量子斜程传输时的湍流影响及光量子在真空及大气中传输的不同特性，导致传输率精度较低。

马雄峰博士论文“Quantum cryptography:from theory to practice”(清华大学博士学位论文2008)中公开了一种纠缠光子对计数估计方法。该方法首先，计算考虑背景计数的光子对，发送到A站和B站，同时被A站和B站计数的概率。然后根据协议效率，计算卫星发送的每个纠缠对成功地被两个地面站计数的概率。但是，该方法仍然存在的不足是，没有明确给出传输系数的估计方法，同时没有明确说明两个地面站使用的测量基的类型和数量，估计过程模糊。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种用于星地下行链路的纠缠光子对传输率估计方法。本发明综合考虑大气、系统、湍流带来的影响，通过在两个地面站分别采用三组测量基和两组测量基进行纠缠光子对接收的方法进行纠缠光子对传输率的估计，提高了传输率的估计精度。

实现本发明目的的基本思路是：大气信道传输纠缠光子对，测量星地距离，估计湍流作用下的光子传输率，计算单光子星地下行链路的传输率，估计纠缠光子对传输率。

本发明的具体步骤如下：

(1)大气信道传输纠缠光子对：