《水下量子通信關鍵技術及新傳輸機理的實驗與理論研究》是依託中國海洋大學，由顧永建擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：水下量子通信關鍵技術及新傳輸機理的實驗與理論研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：顧永建
- 依託單位：中國海洋大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在水下感測器網路、潛艇及各種水下航行器通信需求的驅動下，近年來水下無線通信得到了迅速發展，而水下量子密鑰分配（QKD）可為其提供絕對安全的保密手段。水下QKD研究在國際上剛剛展開，抓住機遇及時開展本項目的研究，不僅對通信和量子技術的發展有重要意義，而且在海洋、軍事等領域有重要的套用前景。本項目將研製國內第一套水下量子密鑰分配實驗系統；通過實驗和理論方法研究散射、吸收、湍流對偏振光子態的影響；進行光學系統設計，估算水下信道、光源、探測器、光學器件、環境噪聲對系統性能的影響，最佳化相應的系統參量和器件，並開展實驗研究；開展後處理算法研究及其它相關量子信息問題研究。通過上述研究克服水下信道的限制，降低誤碼率，提高傳輸距離和密鑰生成速率，為水下QKD樣機的研製打下基礎。另外，還將探索利用開放信道、電磁感應透明等光傳輸新機理提高傳輸距離的可能性。這些研究對於最終實現水下保密通信有重要的理論和實踐意義。
結題摘要
近年來，隨著海洋資源開發，海洋環境探測，海洋軍事等的發展，對於信息傳輸的頻寬和容量提出了更高的要求，水下無線通信技術也得到了迅速發展。而以單光子作為信息載體的水下量子密鑰分配，由於能夠為水下無線通信雙方提供無條件安全的加密手段，收到人們的關注。按照原計畫，本項目圍繞設計實現第一套水下量子密鑰分發系統這一目標，在理論與實驗上取得了如下成果：(1)使用hydrolight分析了水下背景光對於量子密鑰分發與水下光通信的影響，編寫了水下光通信系統設計及性能分析軟體，該軟體對現場和實驗室條件下光通信系統的前期器件選型、實驗方案設計和系統性能最佳化分析具有重要作用，並發表軟體著作權一篇。(2)使用蒙特卡羅方法模擬海水實際環境，使用更符合散射規律的 TTHG 相函式來分析高斯光束，分析了海水信道參數、波長等發射端參數、視場角等接收端參數對於水下光通信系統與水下量子通信系統的影響。(3)結合前兩部分的工作，分析了基於偏振編碼的BB84協定的水下QKD在目前技術可以實現的光學元件的性能條件下，在Jerlov I型與II型水體環境中的誤碼率和成碼率，並發表SCI論文一篇。(4)與安徽問天公司聯合開發了世界上第一套偏振編碼的BB84協定的水下QKD 系統，該系統工作波長為450nm，光子發射頻率為1MHz。隨後通過實驗測量並分析海水信道的穆勒矩陣，驗證了基於偏振的水下QKD 的可行性。在確定可行的情況下，使用研製的水下QKD系統進行了2.37m水槽的量子通信實驗，隨著海水的衰減係數從0.11/m增加至0.62/m，QKD的成碼率從337bits/s降低至48.8bits/s，誤碼率從1.65%增加至3.5%。該結果發表在Applied Optics 雜誌上。(5)自主研製了一套基於誘騙態BB84協定的偏振編碼的量子密鑰分發系統，包括軟體、電路與光路，光子發射頻率為20MHz，並考慮到了使用光同步與經典光通信的情況，設計允許使用純光信號完成量子密鑰分發與對應的後處理過程。(6)我們還對其它相關量子信息問題進行了研究，如水下鬼成像、自旋鏈上的量子態傳輸等問題。在本項目的資助下，發表標註國家自然科學基金資助（批准號：61575180）的SCI收錄的論文16篇，發表軟體著作權一項。超額完成了研究計畫。
