【摘要】：基于海森堡不確定性原理和量子不可克隆定理，量子密鑰分發(fā)為一次性密鑰提供了理論上絕對安全的保密信道。自由空間量子密鑰分發(fā)，特別是星—地量子密鑰分發(fā)，以衛(wèi)星激光通信技術為基礎，近幾十年獲的了長足的進步，并成為建立全球化保密通信網(wǎng)絡的最佳實現(xiàn)途徑�；趩喂庾悠駪B(tài)的星地量子密鑰分發(fā)是近階段最容易實現(xiàn)的量子密鑰通信。根據(jù)BB84協(xié)議，發(fā)送端Alice利用隨機偏振態(tài)的光子作為密鑰載體，通過量子信道發(fā)送給接收端Bob，Bob檢測到密鑰信號并與Alice共同篩選出通信密鑰，然后Alice通過“一次一密”的加密方式對明文進行加密，并發(fā)送給Bob，完成保密通信。在量子密鑰分發(fā)過程中，為了保證Bob能正確檢測到Alice發(fā)出的單光子的偏振態(tài)，要求Bob與Alice使用的基矢坐標系保持一致。然而在包含運動平臺（比如近地衛(wèi)星）的星地量子通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星的運動會使通信雙方產(chǎn)生基矢偏差，由此造成接收端的量子誤碼率升高。量子誤碼率高出一定閾值的話會使量子通信變得毫無意義，因此需要通過技術手段對基矢偏差進行校正。 本文從量子通信的原理為切入點，分析了基矢坐標系對單光子偏振檢測的重要性，并推導了基矢偏差與量子誤碼率的關系公式，通過關系公式提出了基矢校正精度的要求。通過自由空間量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的結構特點，分析了衛(wèi)星運動對基矢的影響，從轉臺望遠鏡光學機構的角度推導了基矢偏差的計算公式。提出基于衛(wèi)星軌道測量和基于衛(wèi)星軌道預報的兩種基矢校正方案，在舟山飛行實驗中對第一種方案的可行性進行了檢驗。根據(jù)BB84模塊的偏振檢測特性提出了基于單光子測量的基矢校正方案；通過軟件修正的方法提高了基矢偏差的檢測精度；分析了單光子探測器與光子密度對偏振檢測精度的影響；并在飛行實驗中檢驗了該方案的校正精度。通過這些研究可以消除自由空間量子密鑰分發(fā)中由于相對運動所造成的基矢偏差的影響，保證量子通信安全順利的進行。 本文的主要工作內(nèi)容和創(chuàng)新點有： 1）從偏振光檢測的角度分析了基矢偏差對量子通信中量子誤碼率的影響，推導了量子誤碼率與基矢偏差的關系公式，根據(jù)關系公式提出基矢校正精度的需求。 2）分析了衛(wèi)星轉臺和衛(wèi)星姿態(tài)對基矢偏差的影響，推導了基于衛(wèi)星終端二維平臺的基矢偏差計算公式。根據(jù)該公式提出了衛(wèi)星軌道實時測量的基矢校正方案，并在舟山實驗中對該方案進行了實驗驗證，驗證結果滿足基矢校正精度要求。 3）提出軌道預測數(shù)據(jù)基矢校正的方案，根據(jù)衛(wèi)星軌道預報的數(shù)據(jù)以坐標變換的方式計算出基矢偏差角度，并存儲為基矢偏差數(shù)據(jù)，在衛(wèi)星運行的過程中直接提取數(shù)據(jù)進行基矢校正。用軟件仿真的方式對軌道預報數(shù)據(jù)基矢偏差的算法進行了驗證。 4）分析了BB84解碼模塊的偏振檢測特性，提出軟件逼近參數(shù)的方法改進了偏振測量精度，綜合分析了影響該模塊檢測精度的因素，得到了該模塊的偏振檢測精度的瓶頸主要在于單光子探測技術的限制。 5）設計并制作了基于單光子檢測的基矢自動校正裝置，并編寫了配套的控制軟件程序。在實驗室對該裝置進行了基矢校正精度驗證，并分析了不同光子密度下的基矢校正精度。通過將該裝置應用于舟山飛行實驗檢驗了其基矢校正性能，基矢校正精度能達到2°以內(nèi)。
【圖文】：

的誕生解決了密鑰通信的安全性問題�；诤Ｕ摵筒豢煽寺《ɡ淼攘孔恿W基本理論，量子現(xiàn)代科技手段下絕對安全的通信機制— Distribution，，簡稱 QKD）。由于現(xiàn)階段的量子密鑰信息，所以激光通信技術的長足發(fā)展為量礎�！Ｃ芡ㄐ湃祟愇拿鞯钠鹪炊妊�，通信的方式也隨著人 5000 年前，古埃及人就發(fā)明了象形文字，并把息。到了四大文明古國時期，通信已經(jīng)發(fā)展出00 年，中國的史書就記載了周幽王烽火戲諸侯措施，當敵人白天侵犯時就在高臺上燃煙（也），以可見的煙氣和亮光向各方與上級報警（由空間光通信最早的例子。

自由空間量子密鑰分發(fā)中偏振檢測與基矢校正的研究這些信息被第三者知道，保密通信應運而生。嚴格意義元前 400 年，當時古希臘最好戰(zhàn)的斯巴達人發(fā)明了一種棒（Scytale）[1]。密碼棒由特定寬度的皮條和特定形狀軍事指揮官手上都有一個相同形狀的木棒。需要傳遞皮革條緊密的纏繞在木棒上，然后沿著木條將信息寫在寬度寫一個字母。當皮條展開的時候上邊的字符的順序信的內(nèi)容，這樣單獨傳遞皮條就不怕敵方竊取密信的信指揮官手里，他只需要將皮條纏繞到密碼棒的木棒上便圖 1-2）。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（上海技術物理研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN918.4

【參考文獻】

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本文編號：2526710