基于时间和相位编码的卫星量子密钥分发新方法

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引言
0 z( n% o: F! n( ]* B+ i' S. z  ~量子密钥分发(QKD)通过利用量子物理原理保障通信安全。早期的QKD协议依赖于偏振编码，随着技术发展，时间和相位编码方法在长距离传输中显示出更强的适应性。本文探讨了创新方法，将时间和相位编码与偏振过滤相结合，实现白天条件下的卫星量子密钥分发[1]。
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理解日光操作的挑战
卫星QKD系统在日光条件下运行面临主要挑战。传统QKD系统受到散射阳光产生的高背景噪声影响，这种噪声会淹没量子信号。目前采用的光谱、时间和空间滤波技术尚不足以实现实用的日光运行。
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让我们了解日光如何影响QKD系统。
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( Y% u* n+ Q( `: E+ U9 ?( u* C图1：展示日光散射如何影响量子通信，散射角接近90°时产生高DOP区域，其他区域DOP较低。

  D5 c' r9 e3 L7 o3 L* E散射日光的偏振度(DOP)在天空中分布不均，在垂直于太阳方向的区域达到最大值。这种自然现象为卫星QKD系统提供了一种新的滤波方式。

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8 k0 t  l( @, t; H/ c  o( F图2：在爱丁堡不同时间点(08:30、09:30、10:30和11:30)测得的780纳米光的DOP分布。高DOP区域随太阳位置变化而移动，始终保持垂直于太阳方向。

创新：偏振滤波
这项创新的核心是使用时间和相位编码替代传统的偏振编码，使偏振自由度可用于滤波。这种方法可以额外降低3-13分贝的背景噪声，显著提升系统性能。
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图3：偏振滤波、时间和相位编码的卫星QKD链路示意图，展示了如何旋转光源偏振以垂直于日光偏振，实现最佳滤波效果。
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系统包含三个基本组件：

光源偏振旋转

接收端信标信道偏振测量

接收光的偏振旋转和滤波
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系统性能与实现
偏振滤波的效果随波长和一天中的时间而变化。在780纳米波长下，系统性能比1550纳米波长下未经滤波的情况有显著提升。
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! w7 O% Z6 _; T5 S- V图4：比较有无偏振滤波时的天空亮度，展示了在不同波长下背景噪声的显著降低。

实现这个系统时需要考虑卫星运动引起的多普勒效应。低地球轨道卫星与地面站之间的相对速度可超过7公里/秒，需要精确补偿。
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/ l6 U; Q: l5 h8 X" t图5：展示卫星过境期间波长的多普勒效应和所需的光程差补偿。

8 p0 J- E( ^+ B! [4 h* _实际结果与应用前景
通过全面仿真验证了系统的有效性。

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图6：仿真结果显示(a)错误计数率，(b)偏振滤波COW协议性能，(c)未滤波性能，证明偏振滤波带来显著改进。
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3 A- V4 s3 T( n4 Z5 ]& c( L2 e结果表明，偏振滤波可将错误计数从每秒375次降至80次，在黎明时分能够分发58,000比特密钥，约为完全黑暗条件下的75%。这比传统方法有显著提升。

- V, h' H8 i0 N7 Q' O' e6 ?结论
这种创新的卫星QKD方法证明，时间和相位编码结合偏振滤波可显著提升白天运行能力。该系统利用大气自然现象，同时保持与现有QKD基础设施的兼容性。随着量子通信技术发展，这种方法为实现全天候量子密钥分发提供了实用解决方案。
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* ^. x3 S. r5 {& V5 _" u( B这种方法的成功也表明在其他领域有潜在应用，包括基于航空器的QKD系统和水下量子通信，可以利用类似的偏振效应提升性能。
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参考文献
% B% Y2 c) K; y; O) l[1] C. Simmons, P. Barrow and R. Donaldson, "Dawn and dusk satellite quantum key distribution using time- and phase-based encoding and polarization filtering," Optica Quantum, vol. 2, no. 5, pp. 381-389, Oct. 2024.
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