[发明专利]一种光量子OFDM通信系统及其量子信息检测方法

说明书

本发明公开了一种光量子OFDM通信系统及其量子信息检测方法。本发明将正交频分复用技术引入量子通信，提出了基于全光OFDM模型的量子通信系统。同时，本发明提出了将发送量子态符号集在光量子数态表象下展开，并采用半正定算符检测(POVM)中性能较好的最小平方根检测(SRM)方法进行算法测量。本发明给出了系统设计和基本原理说明、性能仿真方法及结果，分别对其量子态检测性能以及影响系统性能的部分因素进行了仿真。结果表明，对于此光量子OFDM系统，基于最小平方根的量子检测方法误码率性能优于经典检测方法。

技术领域

本发明涉及一种光量子OFDM通信系统及其量子信息检测方法，属于深空通信测量技术领域。

背景技术

深空探测任务当中，通信系统肩负着传输遥测信息、跟踪导航和传输科学数据的任务，是整个深空探测任务能否顺利执行的重要保障。深空通信一般指离开地球轨道的各类飞行器之间及飞行器与地面控制中心之间的通信。不同于一般的传统地面通信和近地卫星通信，深空通信有着诸如距离远、信号弱、延时大且不稳定、数据量大等特点，而传统光通信虽然具有信息容量大、体积小、功耗低等优点，但在安全性、微弱信号检测、不稳定时延等问题上仍然遇到了瓶颈。量子通信是量子力学与通信技术相结合诞生的一个新兴学科，是量子信息学的一大重要分支。基于量子力学原理，将微观领域的物理特性加以分析并运用在通信技术上，量子通信具有传统通信无可比拟的优势，是当今世界通信领域的研究热点。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)凭借其高频谱利用率、带宽扩展性强以及调制解调实现方案成熟等优点，已经成为经典通信复用技术当中最有前景的一种。对于不同波长、频率上近乎独立的光脉冲来说，OFDM是契合度相当高的复用方式。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于深空探测的基于MZI(Mach-Zehnder Interferometer，马赫岑德干涉仪)的光量子OFDM通信系统及其量子信息检测方法；本发明在量子检测中采用了SRM(Square Root Measurement，平方根检测)方法，由信号量子态可以快速构造出用于检测的POVM(Positive Operator Valued Measure，半正定算符测量)方法算符，该算法的复杂度较低，适合飞行器处理能力有限，需要尽量降低发送、接收处理开销的要求。同时，该算法要求光功率较低，适合深空通信环境距离远、信号弱的特点。

本发明的技术方案具体介绍如下：

本发明提供一种光量子OFDM通信系统，包括发送端和接收端；其中：

所述发送端包括光频梳生成器OCG、马赫岑德干涉仪MZI和光耦合器；在发送端，由光频梳生成器OCG产生8个光量子载波，彼此频率间隔相等，在频域上正交；然后利用马赫岑德干涉仪MZI针对8个正交的光量子载波进行量子态的调制；在对子载波调制完成后，通过光耦合器将多路光信号耦合为一路，产生携带光量子信息的OFDM符号，并在深空环境中传输；

所述接收端包括级联M-Z延时干涉仪MZDI、量子解调器，每个MZDI单元由2个耦合器、1个相移器和1段时延线组成；在接收端，接受到的光量子信息的OFDM符号，通过级联的M-Z延时干涉仪MZDI后，采用量子解调器对各路光量子载波解复用；经过3级MZDI延时后，光量子OFDM信号的8路光量子载波被分离出来，得到不同光量子载波上的脉冲r和s，通过检测门得到相位差同为的位于三个脉冲中间位置的光脉冲，辅以相应的检测，从而得到量子信号当中的经典信息。