[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

摘要

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。

主权项

1.一种用于星地下行链路的纠缠光子对传输率估计方法，其特征在于，将大气湍流及地面站接收系统的影响计入下行链路的传输率中，两个地面站分别采用三组测量基和两组测量基进行接收计数；该方法的具体步骤包括如下：(1)大气信道传输纠缠光子对：卫星将其纠缠光量子源产生的偏振纠缠光子对中的两个光子，分别发往地面站A和地面站B；(2)测量星地距离：(2a)利用北斗系统时钟同步法或主从同步法，对卫星与地面站进行时钟同步；(2b)卫星的信标激光器分别向地面站A和地面站B发射信标光脉冲；(2c)地面站A和地面站B各自的信标光接收系统分别接收信标光脉冲；(2d)利用星地距离公式，分别计算卫星与地面站A或者地面站B的星地距离；(3)估计湍流作用下的光子传输率：(3a)利用光束扩展因子计算公式，计算发往地面站A和地面站B的光子在大气信道传输过程中的光束扩展因子；(3b)利用高斯光束强度公式，计算无湍流作用下的高斯光束强度；(3c)利用下式，计算湍流作用下的高斯光束强度：其中，表示取均值操作，I^w(·)表示湍流作用下的高斯光束强度，表示接收端望远镜孔径中极坐标点的极径矢量，L_s表示斜程湍流大气的厚度，W₀表示发射望远镜处的高斯光束束腰半径，W_r0表示无湍流时高斯光束到达接收望远镜时的束腰半径，G_d表示发往地面站A和地面站B的光子在大气信道传输过程中的光束扩展因子，exp表示以自然常数e为底的指数操作；(3d)利用下式，计算湍流部分单光子的传输率：其中，ηb表示湍流部分单光子的传输率，In(·)表示无湍流作用下的高斯光束强度，L表示卫星与地面站A或地面站B的星地距离；(4)估计单光子下行链路的传输率：(4a)利用下式，计算大气湍流及地面站接收系统影响参数：Tw＝ηt·Gt·ηb·Gr·ηr其中，Tw表示大气湍流及地面站接收系统影响参数，·表示乘积操作，ηt表示发射光学系统的传输效率，Gt表示发射光学系统的发射增益，ηb表示湍流部分单光子的传输率，Gr表示接收光学系统的增益，ηr表示接收光学系统的传输效率；(4b)利用下式，计算单光子下行链路的传输率：T＝Tw·ηα·Lt·Lf其中，T表示单光子下行链路的传输率，ηα表示大气吸收及散射导致的衰减，Lt表示由跟踪误差引起的衰减，Lf表示自由空间的距离损耗；(5)估计纠缠光子对传输率：(5a)地面站A采用三组正交测量基，地面站B采用两组正交测量基，分别对各自接收到的光子进行计数；(5b)利用下式，计算地面站A和地面站B接收的光子同时被地面站A和地面站B计数的概率：Yn＝{[1‑(1‑ηD·TA)n](1‑Pd)5+6(1‑ηD·TA)nPd(1‑Pd)5}×{[1‑(1‑ηD·TB)n](1‑Pd)3+4(1‑ηD·TB)nPd(1‑Pd)3}其中，Yn表示地面站A和地面站B接收的光子同时被地面站A和地面站B计数的概率，n表示卫星发端纠缠光脉冲中的光子总数，ηD表示地面站A和地面站B的探测器的效率参数，TA表示地面站A的单光子星地链路传输率，TB表示地面站B的单光子星地链路传输率，Pd表示探测器的暗计数概率；(5c)利用发端脉冲光子分布公式，计算发端脉冲中光子数的分布概率值；(5d)利用下式，计算纠缠光子对在星地下行链路中的传输率：其中，Qμ表示纠缠光子对在星地下行链路中的传输率，Pn表示发端脉冲中光子数的分布概率值，∑表示求和操作。