单光子量子密钥分发系统偏振控制与优化方法

"这篇科研论文探讨了在单光子相位编码量子密钥分发系统中如何解决由长距离光纤传输引起的偏振漂移问题，从而提高密钥分发效率。作者提出了一种结合遗传算法和数控偏振控制器的优化控制方法，用于在单光子量级下对光子偏振进行精确调整并实现长时间锁定。实验在25公里的单模光纤中进行，每脉冲平均光子数小于0.1的情况下，成功地将信号光偏振调整至最优状态，确保系统稳定运行，最终达到的密钥分发成码率超过1.5千比特每秒。该研究涉及量子光学、量子保密通信、偏振控制和遗传算法等领域，对于提升量子密钥分发系统的性能具有重要意义。" 在量子密钥分发（QKD）系统中，量子态的保真度是保证安全性和效率的关键因素之一。偏振编码是实现量子信息传输的一种常见手段，因为它能够利用光子的两个正交偏振态来携带量子信息。然而，在长距离光纤通信中，光子的偏振态会受到信道噪声和漂移的影响，导致信息传输效率降低，进而影响密钥分发的速率。 本研究中，研究人员提出了一种创新的解决方案，即运用遗传算法来优化偏振控制。遗传算法是一种模拟自然选择和遗传机制的计算方法，能够搜索复杂空间中的最优解。在此应用中，它被用来调整数控偏振控制器的参数，以适应光纤中不断变化的偏振环境。通过这种方法，可以有效地跟踪和补偿偏振漂移，确保单光子的偏振态始终保持在最佳状态。 实验结果显示，在25公里的单模光纤传输条件下，即使每脉冲的平均光子数极低（小于0.1），也能实现高效的操作。这种高效的偏振控制不仅提高了密钥分发的成功率，还确保了系统的长期稳定运行，最终达到的密钥分发速率超过1.5千比特每秒，这对于实际应用中的量子通信网络具有重大意义。 此外，这项工作也强调了遗传算法在量子信息处理中的潜在价值，特别是在应对实际物理系统中的不确定性和动态变化时。通过将这种优化算法与精密的硬件设备（如数控偏振控制器）相结合，可以显著提升量子密钥分发系统的整体性能，为未来构建更安全、更可靠的量子通信网络奠定了坚实的基础。