光子OAM纠缠态在各向异性大气湍流中的退化机制及其补偿方法

Quantum communication with large information capacity and high security has important application prospect in national security, military information transmission, and huge amounts of remote sensing information transmission, which is becoming a hot spot of current research in the international communication field. For instance, it has been shown that multidimensional entangled systems could be achieved and the security of quantum key distribution could also be greatly enhanced when taking orbital angular momentum (OAM) of photons as information carrier. However, the photon OAM entanglement are more susceptible to the influence of atmospheric turbulence due to its spatial distribution properties. By performing theoretical analysis on the evolution of OAM entanglement in atmospheric turbulence, mathematical modeling on the decoherence of OAM state when scattered into high dimension space, and experimental research on compensation of OAM entanglement of photons in atmospheric turbulence, this project aims to explore a new quantum communication system with large information capacity and high security under the help of OAM entanglement of photons, and to demonstrate its feasibility. Research results will have important academic significance and inviting application prospect in establishing new communication mechanisms based on OAM and promoting the development of free space quantum communication.

大信息容量、高安全性的量子通信是近年来国际通讯领域研究的热点之一，在国家安全、军事信息传输、海量遥感信息传输等领域有重要的应用价值。以光子轨道角动量（OAM）作为信息载体不仅可以实现高维的量子通信，而且还能极大地增强量子密钥分发的安全性。然而，光子轨道角动量的空间分布性质决定了光子OAM纠缠态更容易受大气湍流的影响，目前缺少光子OAM纠缠态在各向异性大气湍流中传输的理论支撑。本项目旨在通过对光子OAM纠缠态在大气中的传输演化、光子OAM散射到高维空间的退相干过程以及大气湍流对光子OAM纠缠态干扰的补偿方法等内容的理论分析、数理建模、数值仿真以及实验研究，探索利用光子OAM纠缠编码进行大信息容量、高安全性的自由空间量子通信的新体制，并论证其可行性。该项目的研究成果对于建立光子OAM通信的新机制、推动大信息容量、高安全性的自由空间量子通信新模式的发展具有重要的学术意义和诱人的应用前景。

以光子轨道角动量（Orbital angular momentum, OAM）作为信息载体不仅可以实现高维的量子通信，而且还能极大的增强量子密钥分发的安全性。然而，光子轨道角动量的空间分布性质决定了光子OAM态更容易受大气湍流的影响，目前缺少光子OAM态在各向异性大气湍流中传输的理论支撑。本项目通过研究光子OAM态在大气中的传输演化、大气湍流对光子OAM态干扰的补偿方法等内容，探索利用光子OAM态编码进行大信息容量、高安全性的自由空间光通信的新机理。一是研究了OAM光束在更加符合实际的大气湍流模型中的传输特性，通过计算接收端的OAM探测概率和通信链路信道容量，发现在该大气湍流模型下使用OAM光束的无线光链路可以获得更大的平均信道容量，并分析了光束参数、大气湍流参数的影响，指出采用OAM通信的实际光链路要注重这些参数的选取。二是提出了一种基于卷积神经网络（Convolutional Neural Networks， CNN）的相干解调轨道角动量键控系统，在相同条件下，和基于CNN的非相干解调（直接识别接收光束的强度图）轨道角动量键控系统相比，所提出的系统具有更高的解调准确度和系统信噪比。三是综合分析基于CNN的OAM-SK系统性能，将深度学习算法引入到光子OAM态的演化过程中，通过使用相位补偿大气湍流对OAM态的干扰。项目初期成果对于建立光子OAM通信的新机制、推动大信息容量、高安全性的自由空间通信新模式的发展具有重要的学术意义。