尚涛 孙海正 刘建伟

摘要：随着量子密钥分发（QKD）技术的飞速发展，为了确保航空通信的安全性，研究人员开始逐步对航空机载平台的量子通信技术进行相关研究和试验。在自由空间试验中，测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）协议虽然消除了对于探测器边信道的攻击，但是受到大气湍流等干扰因素的影响，其密钥生成率仍然偏低。本文利用斐波那契数列与卢卡斯数列之间存在的关系，对光子轨道角动量（OAM）进行密钥信息编码，提出了一种基于斐波那契编码的MDI-QKD方案。该方案在不影响原始MDI-QKD协议安全性的基础上，单次量子信息传输容量增加。分析了在自由空间中存在噪声的情况下大气湍流对光子OAM的散射效应，得到了探测端检测到不同OAM态的概率，以及使用OAM编码量子信息的MDI-QKD方案的密钥生成率与最大传输距离的关系。当光信号在大气信道传输时，随着光信号的径向强度逐渐增大，大气湍流对光子OAM态的散射效应逐渐增强，原始OAM态发散为相邻OAM态并趋于无规则分布，探测端检测到原始OAM态的概率不断减小。基于OAM编码的MDI-QKD方案的最大传输距离要比基于偏振编码的MDI-QKD方案增加20km。

关键词：航空机载通信技术；測量设备无关；量子密钥分发；轨道角动量；斐波那契数列；大气湍流

中图分类号：TN918文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.03.011

量子信息技术的飞速发展给传统航空电子与通信等相关领域带来了挑战，同时也带来了新的研究方向，例如，量子导航、量子成像、量子加密以及量子通信等方向[1]。……