自由空间连续变量量子密钥分发的信道透射率起伏特性仿真研究

Abstract

自由空间量子信道的透射率在连续变量量子密钥分发的安全性分析中扮演重要角色。自由空间中的大气湍流导致透射率随机起伏，从而影响连续变量量子密钥分发。现有研究的自由空间量子信道透射率数学模型缺乏大气湍流效应物理层面的综合考量，因此在精确表征透射率方面存在局限性。文中从大气湍流的物理本质出发，采用分步传输结合相位屏平板方法对自由空间量子信道进行数值仿真研究，并将仿真结果与已有的数学模型进行了对比分析。对自由空间量子信道数值仿真执行105次，计算透射率并进行数理统计，得到自由空间量子信道透射率的概率密度，结果表明，采用改进Von Karman大气湍流谱模型能够精确实现真实的自由空间量子信道，而采用Kolmogorov大气湍流谱模型仿真计算得到的自由空间量子信道透射率被高估，最大误差达到5.28%；将数值仿真精确实现的透射率概率密度与已有的椭圆光束近似模型和光束漂移模型进行比较，发现这些模型均低估透射率，与真实的自由空间量子信道情况存在一定差异。研究结果能够精确表征自由空间量子信道透射率的随机起伏特性，可用于准确评估自由空间连续变量量子密钥分发的安全性。