罗兰C系统中台站相位码的识别和保密传输是判断台链及接收信号进行双曲线定位的前提。针对使用经典手段无法实现罗兰C系统高保密性传输的问题，提出了基于EPR态量子纠缠信号的相位码传输方案，并分析了该方案在纠缠攻击与分光镜攻击下的安全性，得到了信息传输效率与分光镜的透射系数、压缩度的关系，验证了该方案可以有效提高罗兰C系统中主副台间的台识别码传输的保密性。

罗兰C系统受到原子钟工艺和无线电信号测量精度限制,难以实现台站间高精度时间同步。基于量子纠缠微波信号和腔电光力系统,通过将微波量子信号转换到光频域进行符合探测,可以得到更精准的罗兰C主副台的同步时差信息。经过理论分析和仿真,得出腔中微波和光转换的条件,以及腔内耗散对保真度的影响。通过控制腔的驱动场参数可实现最优相位灵敏度检测,精度水平能达到皮秒量级。相较于原有同步方式,无需使用昂贵原子时钟,无需测量脉冲到达时间,即能有效提高时间同步精度。

自由空间的量子密钥分发(QKD)技术已成为量子通信领域的研究热点之一,连续变量QKD与离散变量QKD是其两大技术分支。介绍了近年来国内外自由空间QKD技术的研究进展,从实际应用角度出发,对比分析了两大分支主要的技术难点,重点分析了背景光干扰、大气信道中单光子的退偏振特性以及湍流引起的相位畸变等现象,并对自由空间QKD技术的发展前景进行了展望。

提出并设计了一种基于波长-模式双复用的量子保密通信系统,介绍了波长-模式双复用的基本原理,使用Optisystem搭建了系统模型并进行了10次发送实验,获取并分析了信号的时域波形和频谱图,验证了传输过程中信号波长和线偏振模式的稳定性,实现了系统中基于双不等臂马赫-曾德尔干涉仪方案的量子密钥分发过程,获得了经典光信号的误比特率、眼图以及品质因数。结果表明,此量子保密通信系统能够融合两种复用方式的优势,扩大信道容量,提高信号间的隔离度和正交性,有效减小非线性效应和信号间串扰,较好地保护量子-经典信号同传过程中的量子信号,证明了该量子保密通信系统有效可行。

量子信号在大气信道中传输的可行性已经在多个实验中得到了证实。将量子通信终端搭载到移动平台被认为是量子通信实用化的重要发展之一, 可满足全球量子保密网络构建和**通信领域高保密性等需求。综述了量子密钥在地面与移动平台之间的分发所涉及的关键技术, 介绍了移动量子密钥分发技术目前的发展状况与难点, 并探讨了下一步实用化发展方向。

为了提高测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)系统的整体性能,利用修正相干态光 源(MCS)可以优化光子数分布率的性质,设计了一种基于MCS的MDI-QKD系统。基于全局估计的 计算方法推导了密钥生成率与传输距离的关系,保证了在密性放大计算过程中单光子信息的充 分利用,得到较为精确的密钥率下限值。通过仿真分析将所提出的系统与基于预报单光子源(HSPS)的 MDI-QKD系统性能进行对比,结果表明MCS光源比HSPS光源的传输距离提高了9%,有效改善了系统性能。

考虑到少模光纤单模工作时具有低非线性以及损耗、色散保持特性, 提出基于少模光纤单模工作的量子-经典信号同传方案.使用Optisystem构建了基于少模光纤单模工作的量子-经典信号同传模型, 分析了其传输性能, 并与现有的基于单模光纤的量子-经典信号同传模型进行了对比.结果表明所提模型可以有效降低现有模型中的非线性效应和信号串扰, 将误比特率降低了两个数量级, 显著提高了信号的传输质量, 可用于量子保密通信大规模网络化.

为了研究大气湍流对自由空间量子密钥分发的性能影响, 将大气湍流建模为空间中随机分布的空气球泡, 利用几何光学原理分析单光子在湍流球泡中的传播, 定量计算了经过两次折射后由于偏振态变化造成的光子透射率比值k和误码率Ep的起伏, 利用蒙特卡洛方法模拟了湍流折射率随机变化时二者的趋势; 最后推导了经过湍流折射后的诱骗态空间量子密钥分发成码率公式并通过分析误码来源得到满足成码率需要的k值上限, 建立偏振误码率与入射角和湍流折射率的关系并得到Ep的安全阈值.仿真结果表明当入射角在44.8°~76.5°, 湍流折射率在1~1.33范围内可以满足误码率的上限约束.该研究为湍流条件下进行空间量子通信实验提供了理论参考.

量子信号和经典光信号共纤同传技术是光纤量子保密通信实用化进程中的关键技术, 该技术可以显著降低量子保密通信网络的建设成本。通过比较离散变量量子信号和连续变量量子信号分别与经典光信号共纤同传的基本原理, 提出了基于少模光纤(FMF)模分复用(MDM)的离散变量量子信号、连续变量量子信号以及经典光信号三者共纤同传的方法, 降低了非线性损伤及噪声, 有效地利用了现有的光纤资源。结合离散变量量子密钥分发技术和连续变量量子密钥分发技术的优势, 构建了更加稳定有效的量子保密通信网络。