自由空间量子密钥分发

　　本书介绍自由空间量子密钥分发的概念和相关基础理论，描述自由空间信道的特性，讲解模拟量子信号在自由空间中传播的蒙特卡罗方法，详细阐述次谐波大气湍流相位屏模拟方法及谐波次数的选取标准，深入讨论电离层E层大气效应、天气条件、海水等因素对量子密钥分发系统性能的影响，介绍利用相敏放大器和相位非敏感放大器对连续变量量子密钥分发系统进行性能改善的方法，探讨自由空间量子密钥分发系统的波长选择问题。本书可作为高等院校通信工程、电子信息工程、信息安 全等相关专业的教材，也可作为相关科技人员的参考书。

　　刘涛，博士，副教授；2015.10—2017.4，美国亚利桑那大学访学学 者；2018.9—2019.8，北京邮电大学访问学 者。自2006年起一直在非线性光学、光纤通信和量子通信领域从事研究，主持国家自然科学基金2项、河北省自然科学基金1项、中央高校基本科研业务费基金5项、以及多项横向课题；入选河北省“三三三人才工程”计划；持有河北省燕赵英才A卡。

第 1章 绪论 1
参考文献　4
第　2章 量子密钥分发的理论基础　8
2.1　量子信息基础　8
2.1.1　量子比特及其性质　8
2.1.2　量子密度算子　12
2.1.3　量子测量　12
2.2　量子通信信道　13
2.2.1　大气信道　13
2.2.2　海水信道　19
2.2.3　光纤信道　21
2.3　量子密钥分发协议　22
2.3.1　离散变量量子密钥分发协议　23
2.3.2　连续变量量子密钥分发协议　26
2.4　蒙特卡罗法　29
2.4.1　蒙特卡罗法简介　29
2.4.2　蒙特卡罗法模拟流程　30
2.5　本章小结　33
参考文献　34
第3章　大气湍流效应的模拟方法　36
3.1　大气湍流相位屏模拟方法简介　36
3.2　大气湍流相位功率谱密度模型　37
3.3　相位结构函数　38
3.4　次谐波大气湍流相位屏模拟方法　40
3.4.1　次谐波大气湍流相位屏模拟方法的改进　41
3.4.2　改进次谐波法的准确性验证　43
3.4.3　不同谐波次数及采样点对相位屏的影响　45
3.4.4　不同大气湍流相位屏模拟方法的比较　47
3.5　次谐波大气湍流相位屏模拟中最优谐波次数的选取　48
3.5.1　改进的综合功率比评估标准　48
3.5.2　相位结构函数增量比评估标准　56
3.6　本章小结　60
参考文献　60
第4章　电离层E层对自由空间量子密钥分发系统性能的影响　62
4.1　电离层E层传输模型　63
4.2　电离层E层对信道容量的影响　67
4.3　电离层E层对纠缠保真度的影响　70
4.4　电离层E层对量子误码率的影响　72
4.5　电离层E层对安全密钥率的影响　74
4.6　本章小结　76
参考文献　77
第5章　大气效应对量子密钥分发系统性能的影响　79
5.1　离散变量量子密钥分发系统　79
5.1.1　信道传输模型　80
5.1.2　背景光噪声对系统性能的影响　85
5.1.3　大气效应等对系统性能的影响　98
5.2　连续变量量子密钥分发系统　115
5.2.1　信道传输模型　115
5.2.2　透射率　120
5.2.3　额外噪声　122
5.2.4　中断概率　123
5.2.5　大气效应对系统性能的影响　126
5.3　本章小结　131
参考文献　132
第6章　天气条件对量子密钥分发系统性能的影响　134
6.1　不同天气条件下的大气能见度　134
6.1.1　降雪天气的大气能见度　134
6.1.2　降雨天气的大气能见度　135
6.1.3　雾霾天气的大气能见度　136
6.2　降雪对系统性能的影响　138
6.3　降雨对系统性能的影响　139
6.4　雾霾对系统性能的影响　140
6.5　本章小结　142
参考文献　142
第7章　海水对量子密钥分发系统性能的影响　143
7.1　信道传输模型　143
7.2　海水光学性质的影响　144
7.2.1　叶绿素浓度垂直分布　144
7.2.2　吸收效应　146
7.2.3　散射效应　147
7.3　偏振光子的水下传输特性　149
7.3.1　散射特性　149
7.3.2　衰减特性　151
7.3.3　偏振特性　154
7.4　海水湍流对系统性能的影响　156
7.4.1　光束漂移　158
7.4.2　光强闪烁　165
7.4.3　海水湍流对信道容量的影响　171
7.4.4　海水湍流对量子误码率的影响　174
7.5　本章小结　177
参考文献　177
第8章　光放大器对连续变量量子密钥分发系统性能的改善　181
8.1　相敏放大器　181
8.2　相位非敏感放大器　184
8.3　两种放大器对系统性能的影响　188
8.4　本章小结　199
参考文献　199