基于弱相干态光源, 提出了一种相位匹配三诱骗态量子密钥分配方案, 对相关计数率和误码率进行了估计, 并采用切诺夫界的统计分析方法对该方案在有限数据长度条件下的传输性能进行了分析。仿真结果表明: 相位匹配三诱骗态量子密钥分配方案最大安全传输距离可达 521 km, 趋近于无穷诱骗态相位匹配协议的理论极限值 536 km; 随着数据长度的下降, 方案传输性能有所下降, 但是即使数据长度下降至 107, 其最大安全传输距离仍然可达 502 km。

基于预报单光子源,提出了一种相位匹配被动诱骗态量子密钥分配方案。在此方案中,通信双方仅需各产生单个强度的信号。根据通信双方本地探测器的响应情况,第三方的探测结果被分为四个集合,既起到信号态和诱骗态的作用,又共同参与参数估计和密钥生成,降低了系统实现的难度并改善了方案性能。仿真结果表明:相位匹配被动诱骗态方案的最大安全传输距离可达到552 km,性能趋近于现有的相位匹配主动诱骗态方案,且无需主动产生诱骗态;在一定程度上克服了相位匹配主动诱骗态方案严重依赖探测器探测效率的缺陷,性能更为稳定;随着数据长度的下降,方案的传输性能有所下降,但数据长度即使下降至10 7,方案的最大安全传输距离依然可以达到507 km。

针对量子信号和经典信号在网络中混合传输的情况,为提升密钥生成效率和安全传输距离等性能,分析了PM协议的特点,提出了一个基于PM协议的量子-经典混合光网络方案,并对采用较远波段隔离方案的混合光网络性能进行了仿真。数值结果表明:PM协议的密钥生成率较高,安全传输距离较远,且密钥生成率随传输距离的增加而下降的趋势较缓。对于小型网络,PM协议的安全传输距离最远,且密钥生成率在长距离传输时具有优势;对于中型网络,PM协议与BB84协议依旧保持各自的优势,而MDI协议的性能最差;对于大型网络,BB84协议具有最好的性能,PM协议次之,MDI协议最差。

在量子-经典混合光网络中,量子信号和经典信号波长如何分配决定了量子 密钥分发(QKD)性能受经典光信号噪声影响的程度。针对基于量子信号所受噪声最小化原则的波长分配优化方案,研究了 QKD性能的优化程度;分析了波长间隔、信道数目等因素对QKD性能的影响。仿真结果表明,优 化方案提升了网络的密钥生成率以及最远安全传输距离;在量子信道和经典信道数目均一定的情况下,网络的量子 密钥生成率和最远安全传输距离随着波长间隔的增大而减小;在经典信道数目和波长间隔一定的情况下,随着量子 信道的增多,网络的总密钥生成率增大,而每个量子信道的平均密钥生成率和最远安全传输距离均减小。

针对空-水量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD), 综合考虑海风影响、泡沫覆盖的不规则海面、空-水信道复杂多变性和量子偏振态多重散射过程, 建立了非均匀空-水信道复合模型。据此完善了空-水QKD系统量子误码率理论模型, 并采用偏振矢量蒙特卡罗算法模拟, 详细分析了不同海洋环境下非均匀空-水信道光量子传输性能, 及空-水QKD整体传输性能。结果表明: 清澈海水条件下的非均匀空-水信道可实现水下百米量级的密钥分发, 但风速和传输距离的增大都会导致光子退偏比增大, 保真度减小, 偏振误码率增加; 同时风速和泡沫层厚度的增大也会造成空-水QKD系统量子误码率上升, 密钥生成率和传输距离下降, 且随信号波长的增加这两者也会增加, 在波长为532 nm, 信道由最佳(无风无泡沫)变至最差(暴风且泡沫层为6 cm)时, 水下传输距离由1208 m缩减至85 m, 基本能保障水下航行器百米级的安全潜深, 而采用拖拽浮标等措施又可进一步增加空-水QKD的安全距离。由此验证了泡沫覆盖不规则海面下非均匀空-水信道诱骗态QKD的可行性, 对未来空-水一体量子通信链路的实现具有参考价值。

提出了一种基于测量设备无关协议的经典-量子信号共纤传输方案。推导了自发拉曼散射噪声计数率公式,分析了经典信号入射功率、量子信号复用路数和量子信号平均光子数对量子密钥分配性能的影响。数值仿真结果表明,当经典信号入射功率为0 dBm(即通信容量为84.8 Gbit/s)时,所提方案量子密钥分配的最大安全传输距离可达141 km;当入射功率增加到11 dBm(即通信容量为1.068 Tbit/s)时,仍然可达100 km。相比于现有的最优传输方案,所提方案量子密钥分配的最大安全传输距离延长了26 km;虽然随着经典信号入射功率的增加,量子密钥分配性能有所下降,但是可以通过采用多路量子信号复用和优化量子信号的平均光子数来进行性能补偿。

针对经典-量子信号共纤同传的两种方案-同波段同传和较远波段同传, 分别推导了影响量子信号的主要噪声源-自发拉曼散射噪声计数率计算公式。在此基础上,分析了经典信号入射功率和传 输距离对量子密钥分发性能的影响。仿真结果表明：在同等经典信号入射功率条件下,同波段同传方案的自发拉曼散射噪声 计数率的数值大于较远波段同传方案；当经典信号入射功率上升时,同波段同传方案的自发拉曼散射噪声计数率随之上升的斜 率远大于较远波段同传方案；两种方案量子密钥分发性能同时受到经典信号入射功率和传输距离影响,当经典信号入射功率较大、 传输距离较近时,采用较远波段同传方案更合适,反之,当经典信号入射功率较小、传输距离较远时,同波段同传方案成为更优选择。

传统光电跟踪设备对于多传感器数据源的选择, 大多采取手动或按优先级进行切换的控制方式。为了克服切换机制带来的滞后性、随意性以及切换时的阶跃效应, 提出了多源数据融合控制策略。首先计算自适应可变跟踪门规划关联区域剔除野值; 然后根据关联区域设计分时分级融合结构; 最后通过构造隶属度函数计算融合加权因子。经实际应用验证, 这种融合控制策略提高了跟踪精度, 减小了超调量, 增强了系统的鲁棒性、可靠性和实时性。

基于光子量子特性,综合考虑泡沫粒径分布、散射系数、泡沫层厚度及入射角、风速的影响,建立了一种泡沫-不规则海面的复合模型。给出了空-水量子密钥分发(QKD)系统的误码率公式,结合蒙特卡罗算法模拟研究了各参量对光子偏振量子态、QKD误码率及传输距离的影响,分析了泡沫-不规则海面下4强度BB84空-水QKD系统的性能。研究结果表明,偏振误码率随泡沫层厚度、散射系数、光源入射角的增大而增大;风速增大导致空-水QKD系统的量子误码率增大,安全传输距离减小;随着泡沫层厚度的增大,空-水QKD系统的密钥生成率和安全传输距离减小。当泡沫层厚度增至6 cm并考虑最大偏振误码率时,最大安全距离由144 m降至101.3 m,但仍满足水下航行器100 m的安全潜深要求。

海面泡沫信道对量子通信中光子的偏振散射提高了偏振误码率。采用波分复用的偏振补偿方案对其进行补偿。在验证波分复用偏振补偿方案可行性的基础上,针对海面泡沫信道中波长间隔带来的偏振误差问题,提出了单参考光误差校准偏振补偿改进方案和双参考光偏振补偿改进方案。分别仿真了不同波长间隔下补偿后信号光的偏向角分布。结果显示,两种方案均可以有效地消除波长间隔带来的影响误差,其中双参考光偏振补偿方案性能更优,补偿效果更明显,但多参考光对实验设备提出更多的要求;波长间隔取值越小,补偿后信号光的偏向角越小,对应的偏振误码率越低。