水下量子通信关键技术及新传输机理的实验与理论研究

Driven by the communication requirements of underwater sensor networks, submarines and all kinds of underwater vehicles, underwater wireless communication has been developing rapidly in recent years, for which underwater quantum key distribution (QKD) can provide absolute security. Under the situation that the study of underwater QKD has just been initiated abroad, the start of the present program is of importance both for the development of communication and quantum technology, and for the application in the fields of ocean, military affairs etc. The program includes the following work: development of the first domestic underwater QKD experimental system; experimental and theoretical study of the influences of scattering, absorption and turbulence on the polarized photonic states; design of the optical system, optimization of system parameters and devices by evaluating the effects of underwater channels, sources, detectors, optical devices and environmental noises on the performance of the system, and correpongding experimental investigation; study of the post-processing algorithms and other related quantum information problem. These studies will overcome the limitations of underwater channels, lower the QBER, increase the communication distance and key generation rate, and lay the foundation for the development of underwater QKD prototypes. In addition, We will also carry out the feasibility study of enhancing transmission distance by use of new transmission mechanisms including open channels and electromagnetically induced transparency.

在水下传感器网络、潜艇及各种水下航行器通信需求的驱动下，近年来水下无线通信得到了迅速发展，而水下量子密钥分配（QKD）可为其提供绝对安全的保密手段。水下QKD研究在国际上刚刚展开，抓住机遇及时开展本项目的研究，不仅对通信和量子技术的发展有重要意义，而且在海洋、军事等领域有重要的应用前景。本项目将研制国内第一套水下量子密钥分配实验系统；通过实验和理论方法研究散射、吸收、湍流对偏振光子态的影响；进行光学系统设计，估算水下信道、光源、探测器、光学器件、环境噪声对系统性能的影响，优化相应的系统参量和器件，并开展实验研究；开展后处理算法研究及其它相关量子信息问题研究。通过上述研究克服水下信道的限制，降低误码率，提高传输距离和密钥生成速率，为水下QKD样机的研制打下基础。另外，还将探索利用开放信道、电磁感应透明等光传输新机理提高传输距离的可能性。这些研究对于最终实现水下保密通信有重要的理论和实践意义。

在水下传感器网络及各种水下航行器通信需求的驱动下，近年来水下无线通信得到了迅速发展，而水下量子密钥分配（UWQKD）可为其提供绝对安全的保密手段。本项目做出以下创新工作。1.在国内外率先研制成功两套偏振编码的UWQKD实验系统。2.开展了偏振光子水下传输特性的研究。实验上验证了海水信道具有良好的偏振保持特性。开发了水下激光传输的蒙特卡洛模拟软件，采用更准确的TTHG 相函数和高斯光束模型，考虑了接收孔径、视场角等各种发射端、接收端及信道参数，修正了对光子寿命的错误理解，还利用了多核并行计算，是迄今对水下光传输最完整的处理。模拟结果表明，由于接收视场和孔径的限制，接收到的大都是未经散射的直进光子，从而揭示了海水信道具有保偏特性的原因及UWQKD采用偏振编码的合理性。我们还证明了水下激光传输具有纳秒级的时间延迟，并给出了在湍流中偏振保持的条件。3.开展了系统设计和性能分析研究，进行了系统性能的优化。编制了“水下光通信系统设计及性能分析软件”，以我们改进的水下链路方程为依据，可以分析各种噪声对系统性能的影响。利用Hydrolight软件分析计算了海水信道中的背景光噪声，得到了海洋背景光噪声的大量定量结果和规律。细致地考虑了各种误码率产生因素，计算了海水信道的误码率，表明了百米通信距离UWQKD的可行性。实验研究了水质、温度、盐度、湍流对光偏振态的影响。在这些工作基础上，研制了第二套升级版高重复频率诱骗态BB84 QKD系统。4.研究分析了后处理算法，实现了利用cascade协议、LDPC码、turbo码对原始密钥进行纠错。研究了其它相关量子信息问题。5.发表SCI论文15篇，取得或申报专利4项，软件著作权1项，在国内外学术会议作大会报告2次，主办“海洋量子技术论坛”，促进了量子与海洋的融合，培养硕、博研究生12人。通过项目实施掌握了UWQKD的完整技术，为UWQKD的实用化打下了坚实基础，已开始承接实用化UWQKD的研制任务。