本文關(guān)鍵詞：量子激光雷達(dá)探測方式和性能提高的研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：由于量子態(tài)獨特的非經(jīng)典屬性使得量子理論和技術(shù)產(chǎn)生了重要的潛在應(yīng)用價值。量子理論和技術(shù)的成熟促進了量子通訊,量子計算,量子度量干涉和傳感等領(lǐng)域的長足發(fā)展。自由空間量子密鑰分發(fā)(quantum key distribution,QKD)已取得初步成功,以量子度量理論為基礎(chǔ)的引力波探測(laser gravitational wave observation,LIGO)已經(jīng)實現(xiàn)。在上述技術(shù)的發(fā)展過程中,量子傳感理論也開始嶄露頭角,如量子微波雷達(dá),量子脈沖壓縮激光雷達(dá),量子增強激光雷達(dá)和量子安全成像激光雷達(dá)等。量子激光雷達(dá)是激光雷達(dá)技術(shù)和量子信息技術(shù)相融合的產(chǎn)物。相對于傳統(tǒng)激光雷達(dá),量子激光雷達(dá)具有抗干擾性,高靈敏度,高的距離分辨率和角分辨率等優(yōu)點,已經(jīng)成為當(dāng)前激光雷達(dá)領(lǐng)域研究熱點之一。本論文將對量子激光雷達(dá)及其性能進行系統(tǒng)的理論和實驗研究。首先,設(shè)計了一種偽隨機調(diào)制量子安全激光雷達(dá)系統(tǒng)(pseudorandom modulation quantum secured lidar,PMQSL),并對該系統(tǒng)進行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能研究。理論上分析了偽隨機碼序列相關(guān)測距的分辨率和測距精度,同時推算了探測信號的信噪比。結(jié)合量子秘鑰分發(fā)的BB84安全協(xié)議分析了該系統(tǒng)的測距安全性問題,確定了該系統(tǒng)的誤碼率安全閾值。研究表明當(dāng)系統(tǒng)沒有受到攻擊時,測距精度能達(dá)到厘米量級。然而,當(dāng)系統(tǒng)受到攻擊時,系統(tǒng)的測距精度和信噪比都會大大降低,這也預(yù)示著攻擊者的存在。測距精度的實驗結(jié)果和數(shù)值模擬吻合的很好。原理驗證實驗表明,該系統(tǒng)具有好的測距和反接收-轉(zhuǎn)發(fā)式攻擊能力。研究了相干疊加態(tài)(coherent superposition states,CSS)超分辨率量子激光雷達(dá)的分辨率和靈敏度。這種激光雷達(dá)可以通過光子數(shù)分辨探測器或者量子零差探測技術(shù)得以實現(xiàn),其靈敏度可達(dá)到散彈噪聲極限,分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于瑞利衍射極限。推導(dǎo)了強度差探測和投影探測方式下系統(tǒng)的輸出信號及其靈敏度的表達(dá)式。同時,深入地分析和討論了疊加相干態(tài)超分辨率的物理本質(zhì)。進一步研究了損耗和噪聲環(huán)境中該激光雷達(dá)的綜合性能,分別利用二值輸出奇偶光子計數(shù)和零-非零光子計數(shù)探測(即Z-探測或on-off探測)方法推導(dǎo)了馬赫-曾德爾干涉儀(Mach Zehnder interferometry,MZI)輸出信號的表達(dá)式。利用傳統(tǒng)的主方程方法研究了相位噪聲對該激光雷達(dá)性能的影響。研究表明在實際環(huán)境中,相對于傳統(tǒng)的相干態(tài)(coherent states,CS)而言,相干疊加態(tài)在信號靈敏度和分辨率方面更具優(yōu)勢。根據(jù)光子計數(shù)測量和二值輸出數(shù)據(jù)處理方法得出的條件概率的一般表達(dá)式提出了糾纏相干態(tài)(entangled coherent states,ECS)干涉型量子激光雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)描述。首先展示了二值輸出奇偶光子計數(shù)探測信號的概率和奇偶信號的平均值,借助于數(shù)值計算展示了N重超分辨率信號,即突破了瑞利衍射極限。與傳統(tǒng)相干態(tài)的奇偶探測和強度探測相比,本方案的分辨率分別提高了N和N倍,其中N是平均光子數(shù)。研究了損耗條件下信號的分辨率和最優(yōu)相位靈敏度隨損耗率的變化關(guān)系。其次,根據(jù)主方程方法數(shù)值分析了相位噪聲對ECS探測性能的影響。最后,分析了Z-探測方法,結(jié)果表明在相位擴散條件下奇偶探測信號的靈敏度高于Z-探測,這和相干態(tài)的理論和實驗結(jié)果正好相反。最后,研究了光子損耗和相位噪聲環(huán)境中相干態(tài)量子激光雷達(dá)的最優(yōu)探測方法。利用泰勒級數(shù)將干涉信號和相位擴散過程產(chǎn)生的相位噪聲分離開來,干涉信號及其靈敏度的表達(dá)式就可以通過二值輸出零差探測、奇偶光子計數(shù)探測和零-非零光子計數(shù)探測方法進行解析求解。從這些解析解中就可以看出,相位噪聲和光子數(shù)損耗降低了干涉信號的相干性并進一步降低了系統(tǒng)性能。數(shù)值結(jié)果表明在相位擴散區(qū)2κ10-內(nèi)零差探測擁有最好的分辨率和靈敏度,在剩余區(qū)域內(nèi)奇偶探測信號的分辨率最好而Z-探測信號的靈敏度最高。此外,Z-探測信號的靈敏度在有無噪聲和損耗時均優(yōu)于奇偶探測。
[Abstract]:The quantum key distribution ( QKD ) has been successfully developed in the field of quantum key distribution ( QKD ) . In this paper , we study the effect of phase noise on the detection performance of ECS by using Taylor series . The results show that the sensitivity of this scheme is higher than that of Z - detection . The results show that the sensitivity of the signal is higher than that of the conventional coherent state .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN958.98

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本文編號：1392570