專利名稱：一種兼容接收與發(fā)射的量子通信系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及量子通信及光通信技術領域，具體是指一種兼容量子光信號接收與發(fā)射的量子通信系統(tǒng)。
背景技術：
保密通信是一種讓通信雙方在絕密狀態(tài)下交換信息的傳送方式，許多國家都非常重視保密通信的研究。在當今社會，保密通信已經是政府、銀行、公司和私人保護等信息交換的保障，隨著網絡、電子商務的推廣，保密系統(tǒng)的安全性顯得尤為重要。計算機的飛速發(fā)展使得破譯密碼的手段越來越高明，經典密碼術越來越顯現(xiàn)出它的局限性。而量子保密通信從量子力學不確定性原理和量子態(tài)不可克隆定理出發(fā)，提供了一種原理上絕對安全的全新的通信方式，也是量子信息領域最接近實用化的方向之一。量子通信技術的研究緊扣國家安全重大需求問題，可望大幅度提高信息傳輸?shù)陌踩?、信息傳輸通道容量和效率等，是未來信息技術發(fā)展的重要戰(zhàn)略性方向，并極有可能引起諸多科學和技術領域的革命，對經濟和社會的進步產生難以估量的影響。國際上重要的發(fā)達國家，特別是美國、歐盟和日本均已投入大量人力物力致力于自由空間量子通信的理論和實驗研究。美國國家標準和技術研究所(NIST)已將量子通信作為三項重點研究方向之一；日本也已經將量子通信確定為21 世紀國家戰(zhàn)略項目，計劃在2020年至2030年間建成絕對安全的高速量子通信網；而在歐洲，則成立了以英國、法國、德國、意大利、奧地利和西班牙等國在內的量子信息物理學研究網，并在2008年向歐洲空間局的生命和物理科學部提交了 “Space-QUEST”實驗方案，打算在空間環(huán)境中引入量子糾纏，在國際空間站(ISS)實現(xiàn)星地量子通信實驗，這將開創(chuàng)自由空間量子通信和基礎物理研究的新時代。近年來，量子通信研究進展迅速，遠距離量子通信則成為了國際激烈競爭的焦點， 目前量子通信的技術手段主要包括基于光纖通道、基于自由空間通道的量子傳輸。但由于光纖材料的限制，光纖的損耗和退相干效應無法避免，目前低損耗光纖的性能已經逼近理論極限，利用光纖在相距100公里以上的兩點建立量子信道變得非常困難。而自由空間量子信道是實現(xiàn)遠距離量子通信實驗的最為可行的方案之一，空間量子通信目前正處于從原理性研究走向實用化的關鍵時期。如何突破距離的限制在更廣域的范圍內實現(xiàn)量子通信過程成為擺在人們面前的難題，一旦取得突破將在整個量子通信研究領域產生極其深遠的影響。本發(fā)明充分考慮自由空間量子通信的應用需求，基于簡單的孔徑分割原理，達到了對同一波長同時實現(xiàn)量子收發(fā)的目的，實現(xiàn)了一種兼容量子光接收與發(fā)射的量子通信系統(tǒng)的設計。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于滿足自由空間量子通信的應用需求，提供一種兼容量子光信號接收與發(fā)射的量子通信系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)同一個光學終端同時進行量子信號的接收與發(fā)射功能，滿足量子通信終端雙工的設計要求。本發(fā)明針對實現(xiàn)自由空間量子通信終端進行雙工的設計需求，使用孔徑分割的方式來實現(xiàn)量子信號接收與發(fā)射的分離，并通過跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn)通信雙方的高精度對準，保證量子通道的暢通，從而實現(xiàn)量子通信的功能。本發(fā)明同樣適用于光通信中接收與發(fā)射信號的分離，實現(xiàn)光通信雙向工作的功能。本發(fā)明的量子通信光學終端如附圖I所示，量子接收光與跟蹤光經過另一通信端發(fā)射后覆蓋本發(fā)明的通信系統(tǒng)，目標光經系統(tǒng)接收望遠鏡I收集后進入后光路，縮束后的光束被跟蹤反射鏡2反射后，再通過跟蹤光與量子光分色片3分光之后，各自進入到量子光接收通道及信標光接收通道，信標光被成像于跟蹤模塊4的相機中，通過成像光斑的位置信息控制跟蹤反射鏡2的反射角變化來實現(xiàn)跟蹤功能，量子接收光經過量子收發(fā)孔徑分割反射鏡5反射后進入量子接收處理單元6，經過相應的軟件處理得到量子密鑰信息；同時量子發(fā)射單元7首先對量子光進行編碼，編碼后的量子光通過量子收發(fā)孔徑分割反射鏡5的通光孔后，再經過跟蹤光與量子光分色片3及跟蹤反射鏡2反射后，經過主望遠鏡I壓縮發(fā)散角之后出射后，最終覆蓋另一端的量子通信光學終端。由于量子接收光、量子發(fā)射光及信標光都經跟蹤反射鏡2反射，跟蹤反射鏡2通過角度變化來實現(xiàn)跟蹤功能，確保3條光軸都始終對準通信的另一端。本發(fā)明量子通信終端的具體工作過程描述如下I、當該量子通信終端作為接收端時，量子接收光與跟蹤光同時進入主望遠鏡1，縮束后的光束經過跟蹤反射鏡2反射后，再通過跟蹤光與量子光分色片3分光后，各自進入到量子通道及信標通道，量子接收光經過量子收發(fā)孔徑分割反射鏡5反射后進入量子接收處理單元6，信標光經過跟蹤模塊4的相機成像，根據成像光斑的位置變化來控制跟蹤反射鏡 2的角度變化，使得量子接收軸與信標光的接收軸精確對準，從而保證量子接收處理單元6 接收更多的量子信號來提高量子成碼；2、當系統(tǒng)作為發(fā)射端時，量子發(fā)射單元7首先對量子光進行編碼，編碼后的量子發(fā)射光經量子收發(fā)孔徑分割反射鏡5的通光孔后，再通過跟蹤光與量子光分色片3及跟蹤反射鏡2后，經過主望遠鏡I壓縮發(fā)散角之后出射，同時跟蹤光進入接收望遠鏡I，通過望遠鏡及跟蹤反射鏡2反射，再經跟蹤光與量子光分色片3反射后進入到跟蹤模塊4，由于量子發(fā)射與信標光都經過了跟蹤用反射鏡2的反射，同時量子發(fā)射軸與信標光接收相機的成像光斑某一個位置對應，在跟蹤過程中光斑位置變動時，經過相應的處理電路來控制跟蹤反射鏡2的角度變化，使光斑位置保持不變，確保量子發(fā)射光能精確的傳輸至通信的另一端。本發(fā)明的優(yōu)點在于I)本發(fā)明裝置的結構簡單、成本低廉、易于實現(xiàn)，通過對反射鏡進行結構上的處理就可以實現(xiàn)雙工的通信功能。2)本發(fā)明裝置的實用性較強，該終端的處理方法不僅可以用于量子通信，也可以應用于光通信，同時該分光方法適用于收發(fā)通信光波長接近的系統(tǒng)，也適用于收發(fā)通信光波長可以進行分光的系統(tǒng)。3)本發(fā)明裝置應用于量子通信時，量子發(fā)射過程中少用了一片分光片，對系統(tǒng)的偏振保持設計更有利。


圖I為系統(tǒng)光路示意圖；圖中標號1為主望遠鏡、2為跟蹤反射鏡、3為跟蹤光與量子光分色片、4為跟蹤模塊、5為量子收發(fā)孔徑分割反射鏡、6為量子接收處理單元、7為量子發(fā)射單元，其中箭頭表示光束的行進方向。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明方法的實施實例進行詳細的描述。本發(fā)明中所采用的主要器件描述如下I)主望遠鏡I :商業(yè)用的天文望遠鏡，放大倍數(shù)為10倍；2)跟蹤反射鏡2 :跟蹤鏡購買NEWPORT公司的兩軸音圈電機，型號為 FSM-320Fast ;其主要性能參數(shù)工作波段為650_1700nm時，平均反射率大于96%，角度分辨率RMS值彡lrad，角度變化范圍±1. 5° ；3)跟蹤光與量子光分色片3 :分色片反射532nm跟蹤光、透射81011111量子光，53211111 反射光效率優(yōu)于98%，810nm透射光效率優(yōu)于97% ；4)跟蹤模塊4 :跟蹤模塊由跟蹤相機及處理電路組成，處理電路控制跟蹤反射鏡2 的反射角度變化，從而保證量子軸始終對準量子通信的另一端；5)量子收發(fā)孔徑分割反射鏡5 :反射鏡上開有一個通光孔，通光孔的大小與量子發(fā)射光光斑匹配，反射鏡另一面反射量子接收光，從而保證能夠同時進行量子收發(fā)；6)量子接收處理單元6與發(fā)射單元7 :對量子信號進行編碼后發(fā)射及量子信號接收后的處理。本發(fā)明方法的主光路示意圖如附圖I所示，具體情況描述如下I、當系統(tǒng)作為接收端時，量子光與跟蹤光同時進入接收望遠鏡1，望遠鏡將光束縮束后進入后光路中，光束經過音圈電機2反射后，再通過跟蹤光與量子光分色片3，各自進入到量子通道及信標通道，信標光經過跟蹤模塊4的相機成像，根據成像光斑的位置變化來控制音圈電機2的角度變化，使得量子接收軸與信標光的接收軸精確對準，從而接收更多的量子信號來提高量子成碼；2、當系統(tǒng)作為發(fā)射端時，量子發(fā)射單元7首先對量子光進行編碼，編碼后的量子發(fā)射光經量子收發(fā)孔徑分割反射鏡5的通光孔后，再通過跟蹤光與量子光分色片3及音圈電機2后，經過主望遠鏡I壓縮發(fā)散角之后出射，同時跟蹤光進入接收望遠鏡I，經過望遠鏡縮束后被音圈電機2反射，通過跟蹤光與量子光分色片3分光后進入到跟蹤模塊4，由于量子發(fā)射與信標光都經過了跟蹤用音圈電機2的反射，同時量子發(fā)射軸與信標光接收相機的成像光斑某一個位置對應，在跟蹤過程中光斑位置變動時，經過相應的處理電路來控制音圈電機2的角度變化，使光斑位置保持不變，確保量子發(fā)射光能精確的傳輸至通信的另一端。
權利要求
1.一種兼容量子光接收與發(fā)射的量子通信系統(tǒng)，它包括主望遠鏡(I)、跟蹤反射鏡(2)、跟蹤光與量子光分色片(3)、跟蹤模塊(4)、量子收發(fā)孔徑分割反射鏡(5)、量子接收處理單元(6)及量子發(fā)射單元(7)，其特征在于系統(tǒng)作為量子光接收端時，量子接收光與跟蹤光同時進入主望遠鏡(I)并被縮束，縮束后的光束經過跟蹤反射鏡(2)反射后，再通過跟蹤光與量子光分色片(3)分光后，各自進入到量子光通道及信標光通道，量子接收光經過量子收發(fā)孔徑分割反射鏡(5)反射后進入量子接收處理單元￠)，信標光經過跟蹤模塊(4)的相機成像，根據成像光斑的位置變化來控制跟蹤反射鏡(2)的角度變化，使得量子接收軸與信標光的接收軸精確對準，從而保證量子接收處理單元(6)接收更多的量子信號來提高量子成碼；系統(tǒng)作為量子光發(fā)射端時，由量子發(fā)射單元(7)首先對量子光進行編碼，編碼后的量子光經量子收發(fā)孔徑分割反射鏡(5)的通光孔后，再通過跟蹤光與量子光分色片(3)及跟蹤反射鏡(2)，經過主望遠鏡(I)壓縮發(fā)散角之后出射，同時跟蹤光進入接收望遠鏡(I)，通過望遠鏡及跟蹤反射鏡(2)反射，再經跟蹤光與量子光分色片(3)反射后進入到跟蹤模塊(4)，由于量子發(fā)射與信標光都經過了跟蹤用跟蹤反射鏡(2)的反射，同時量子發(fā)射軸與信標光接收相機的成像光斑某一個位置對應，在跟蹤過程中光斑位置變動時，經過相應的處理電路來控制跟蹤反射鏡(2)的角度變化，使光斑位置保持不變，確保量子發(fā)射光能精確的傳輸至通信的另一端。
2.根據權利要求I所述的一種兼容量子光接收與發(fā)射的量子通信系統(tǒng)，其特征在于 所述的主望遠鏡(I)為擴束系統(tǒng)，用于對量子接收光束光斑壓縮及量子發(fā)射光束發(fā)散角壓縮。
3.根據權利要求I所述的一種兼容量子光接收與發(fā)射的量子通信系統(tǒng)，其特征在于 所述的量子收發(fā)孔徑分割反射鏡(5)是一塊具有通光孔的反射鏡，其通光孔的大小足以通過量子發(fā)射單兀(7)發(fā)出的量子光束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種兼容量子光接收與發(fā)射的量子通信系統(tǒng)，它采用孔徑分割的方式來實現(xiàn)同時兼容量子收發(fā)的功能，適用于自由空間量子通信及光通信領域。該光學終端由主望遠鏡、跟蹤反射鏡、跟蹤光與量子光分色片、跟蹤模塊、量子收發(fā)孔徑分割反射鏡、量子接收處理單元及量子發(fā)射單元構成，跟蹤模塊通過跟蹤光的成像光斑位置變化來控制跟蹤反射鏡的方向變化，從而保證發(fā)射端與接收端的高精度對準，通過孔徑分割反射鏡來實現(xiàn)同時兼容量子收發(fā)的功能，滿足兼容量子接收與發(fā)射的設計要求。
文檔編號H04L9/08GK102611508SQ20121007296
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權日2012年3月19日
發(fā)明者何志平, 吳金才, 楊海馬, 王建宇, 舒嶸, 袁立銀, 賈建軍 申請人:中國科學院上海技術物理研究所