不同颗粒物影响下的量子信道特性研究

作     者：周丽娟 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张秀再

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 0839[工学-网络空间安全] 070201[理学-理论物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：通信信道 微生物颗粒 近海污染大气气溶胶 海洋非色素团聚颗粒 

摘      要：量子通信技术基于量子叠加态和量子纠缠效应,实现了信息的有效传递,具有高传输速率、高保密性等优点,对我国信息安全、军事、金融等领域具有重要意义。然而,量子光信号在大气和海洋中传输时,不可避免地会受到各种悬浮颗粒物的影响,导致通信质量下降。因此,选取大气中的微生物颗粒、近海污染大气气溶胶和海水中的海洋非色素团聚颗粒,结合量子态在噪声信道中的变化,研究了三种颗粒物影响下的量子信道特性,为不同环境下量子光信号稳定高质量的传输提供理论参考。具体研究如下:1.为了研究微生物颗粒对量子通信信道性能的影响,基于Mie散射理论,分析了微生物颗粒的消光特性;根据颗粒的谱分布函数,建立了传输距离、微生物颗粒数浓度与链路衰减、量子误码率之间的关系;针对比特翻转噪声和退极化噪声,建立了微生物颗粒数浓度与信道容量、生存函数之间的关系。仿真结果表明,随着微生物颗粒数浓度的增大,链路衰减与量子误码率呈上升趋势,信道容量与生存函数呈下降趋势;与退极化噪声相比,比特翻转噪声对量子信道性能的影响更为显著。2.为了研究近海污染大气气溶胶对量子通信信道性能的影响,基于Mie散射理论,结合近海地区空气湿度对气溶胶粒径和复折射率的影响,计算了吸湿后近海污染大气气溶胶的消光系数;根据气溶胶的谱分布函数,建立了传输距离、近海污染大气气溶胶粒子数浓度与链路衰减、链路效率以及量子纠缠度之间的关系;引入部分记忆信道,针对比特翻转噪声、退极化噪声和xz退相位噪声,建立了近海污染大气气溶胶粒子数浓度与量子隐形传态平均保真度之间的关系。仿真结果表明,随着近海污染大气气溶胶粒子数浓度的增大,链路衰减呈上升趋势,链路效率与量子纠缠度呈下降趋势;引入部分记忆信道可有效增强三种噪声影响下的量子隐形传态保真度。3.为了研究海洋非色素团聚颗粒对水下量子通信信道性能的影响,基于Gordon模型,分析了海洋非色素团聚颗粒的散射与吸收特性;针对不同波长的光信号,建立了传输距离、海洋非色素团聚颗粒质量浓度与链路衰减、信道建立速率、幅值阻尼信道容量以及量子安全密钥产生率之间的关系。仿真结果表明,随着海洋非色素团聚颗粒质量浓度的增大,链路衰减呈上升趋势,信道建立速率、幅值阻尼信道容量与量子安全密钥产生率呈下降趋势。