专利名称：空间量子通信单光子远场分布检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及量子通信领域，特指一种空间量子通信单光子远场分布检测装置。该装置可以对待测的空间量子通信终端进行检测，得到其所发射的用于量子通信的单光子经过远距离传输后在接收端形成的远场分布。
背景技术：
量子信息科学是近年来物理学领域最活跃的研究前沿之一，基于量子力学基本原理的量子信息处理技术能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，从而提供了一种绝对安全的保密通信方式，这就是量子通信。空间量子通信的基本原理描述如下量子通信的发射端和接收端在空间中相隔较远的距离，例如分别处于卫星和地面上。双方首先通过跟踪瞄准系统实现互相对准，继而发射端向接收端发射用于通信的单光子束，该单光子束由一束脉冲激光加上极强的衰减而形成，平均每个脉冲内只含有不到一个光子，可以认为量子通信终端所发射的是一连串的用于通信的单光子，发射端利用单光子的偏振或者相位特性，对其进行编码，并在接收端对单光子进行接收。接收端通过一系列方法进行解码后双方获得一组密钥，该密钥由量子力学的基本原理保证了其绝对的保密性，以此密钥加密信息进行通信，便可实现从原理上绝对保密的量子通信。根据量子通信的原理，在研制空间量子通信终端时，一个非常重要的课题就是研究发射端发射出的单光子在经过远距离传输后，在接收端的分布情况。这种分布情况直接决定量子通信发射端所发射的单光子有多少能够进入远距离外的接收口径，被量子通信接收端所探测，从而决定量子通信的成码率。因此需要有一套检测装置可以对空间量子通信终端所发射的单光子经过远距离传输后，在接收端的远场分布状态进行检测。受条件所限， 空间量子通信终端单光子的远场分布检测很难在远距离的发射和接收端之间实时实地的进行，有必要在实验室中近距离条件下模拟出空间量子通信终端所发射的单光子经过远场传输后的分布状态。目前关于量子通信单光子远场分布的模拟方法尚未有相关文献和专利记载。考虑到量子通信与激光通信在通信载体的传输模型上的一致性，参考激光通信中远场模拟的已有技术，对其加以改进，可以应用到量子通信单光子的远场模拟中。激光通信的远场模拟技术比较成熟。相关文献中描述过一种激光通信远场分布模拟和检测系统。该系统用以检测激光通信终端所发射的通信光在远场的能量分布。该系统由长焦凸透镜和和CCD相机组成，根据傅立叶光学的理论，令激光通信终端所发射的通信光经过透镜，在透镜焦平面上形成光斑，则该光斑的形状和通信光在远场接收端平面上的分布形状成一定的比例关系，而在能量分布状态上完全一致。可使用CCD相机对该光斑的能量分布进行检测，从而得到激光通信的远场分布。量子通信终端所发射的单光子是经典激光的一种特例，其在空间中的传输模型和经典的光束一致，因此可以参考激光通信的远场模拟方法，设计量子通信远场分布模拟装置。对于经典光束，其在远距离传输之后在空间中形成能量分布，而在量子通信中，对应到量子通信终端发射的每一个单光子，其表现为一种概率分布，即在远场分布区域内，使用一定口径，在某一位置能接收到该单光子的概率。但目前已有的激光通信的模拟和检测系统无法用于量子通信的远场分布检测。因为量子通信的通信载体是单光子，其能量及其微弱， 传统的探测手段如CCD相机无法对其进行探测。因此需要特殊的检测装置来完成对量子通信远场分布的检测。
发明内容
本发明的目的为对待测的量子通信终端所发射的单光子在经过远距离传输后，在接收端形成的远场分布状态进行检测，为量子通信终端的研制和评估提供重要依据。检测出量子通信单光子的远场分布，可以对量子通信发射终端单光子发射系统的发散角和光学质量进行评估，对量子接收终端通信单光子捕获概率进行计算，也可以对量子通信发射终端所需的发射功率以及最终量子密钥的成码率进行估算。在此基础上，对量子通信终端的控制策略和系统设计进行改进，提高接收端对通信单光子的捕获概率。综上所述，本发明的有益效果显著。本发明的技术解决方案如下首先考虑在室内近距离条件下形成等效的单光子远场分布。使用平行光管在近距离条件下模拟量子通信单光子远场分布的原理如
图1所示。其理论证明如下量子通信终端所发射的单光子是由脉冲高斯光束经过强衰减使其每个脉冲的平均光子数小于一个而得到，在研究其空间传输时，可以认为是经典光的一种极端的特例，其传输模型和经典光一致。根据在自由空间中激光光束的传输原理，设发射口径处的光强分布为FG，η)，由惠更斯-菲涅耳原理可知，光振幅在ζ处的情况u(x，y，z)如下式示
权利要求
1.一种空间量子通信单光子远场分布检测装置，由平行光管O)，分光棱镜(3)，光纤耦合镜(4)，能量监测单模光纤( ，能量监测单光子探测器(6)，扫描检测单模光纤(7)，扫描检测单光子探测器(8)，二维平移台(9)和控制计算机(10)构成，其特征在于量子通信终端所发射的单光子经过平行光管( 后在平行光管的焦平面之前被分光棱镜C3)分为反射和透射两部分，反射部分的单光子继续传播，在平行光管( 的焦平面上形成等效的远场分布状态，二维平移台(9)带动固定在其上的扫描检测单模光纤(7)和与之相连的扫描检测单光子探测器(8)，使扫描检测单模光纤(7)的入光口径在焦平面上进行扫描，扫描检测单光子探测器(8)对远场分布区域内的各采样点进行单光子计数，得到单光子远场分布状态；透射部分的单光子被光纤耦合镜(4)全部收集进入能量监测单模光纤(5)，并由能量监测单光子探测器(6)对收集到的全部单光子进行计数，对待测量子通信终端所发射的单光子的总能量变化进行监测，并结合单光子扫描检测的数据得出在单光子远场分布区域内各采样点的单光子探测概率；控制计算机(10)对整个测量过程进行自动化控制并对所得到的数据进行采集和处理。
2.根据权利要求1所述的一种空间量子通信单光子远场分布检测装置，其特征在于， 所述的平行光管( 为反射式的平行光管或透射式的平行光管。
3.根据权利要求1所述的一种空间量子通信单光子远场分布检测装置，其特征在于， 所述的分光棱镜( 按照1 1的能量比例对入射的单光子进行透射和反射。
4.根据权利要求1所述的一种空间量子通信单光子远场分布检测装置，其特征在于， 所述的二维平移台(9)是由步进电机或其他电力器件控制的二维平移台，其重复定位精度优于lOum，在电信号的控制下，带动扫描检测单模光纤(7)和扫描检测单光子探测器(8)， 在水平方向和垂直方向上实现精确的平移运动，使扫描检测单模光纤的入光口径始终保持在平行光管焦平面上，并在焦平面上做水平和垂直方向的扫描运动。
全文摘要
本发明公开一种空间量子通信单光子远场分布检测装置。该装置由平行光管，分光棱镜，光纤耦合镜，能量监测单模光纤，能量监测单光子探测器，扫描检测单模光纤，扫描检测单光子探测器，二维平移台和控制计算机组成，该装置可以对待测的空间量子通信终端进行检测，得到其所发射的用于量子通信的单光子经过远距离传输后在接收端形成的远场分布。检测结果为研究和评估待测量子通信终端光机质量和性能指标的重要依据。
文档编号H04B10/30GK102324982SQ20111020476
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者吴金才, 张亮, 杨世骥, 江昊, 王建宇, 舒嵘, 贾建军 申请人:中国科学院上海技术物理研究所