一種QPSK調(diào)制量子增強(qiáng)接收的混合測(cè)量?jī)?yōu)化方案

導(dǎo)讀

在空間相干激光通信高速化、深空化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化的愿景驅(qū)動(dòng)下，單光子級(jí)微弱信號(hào)的高靈敏度探測(cè)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一。當(dāng)前空間相干激光通信系統(tǒng)通常采用DPSK、QPSK以及PPM調(diào)制方式為主，高階調(diào)制對(duì)于高維相干態(tài)區(qū)分探測(cè)提出了更高的要求，如何發(fā)展適用于高階調(diào)制微弱信號(hào)的高靈敏度探測(cè)技術(shù)是未來研究的重要方向之一。 在經(jīng)典理論框架下，傳統(tǒng)相干探測(cè)方法受限于散粒噪聲對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量子極限，而量子增強(qiáng)接收技術(shù)通過引入位移算子將BPSK、QPSK等調(diào)制的相干態(tài)探測(cè)轉(zhuǎn)化/映射為光子數(shù)態(tài)測(cè)量，采用單光子探測(cè)器/光子數(shù)區(qū)分探測(cè)器可以在能量和帶寬的應(yīng)用上展現(xiàn)量子探測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)相干探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)量子極限的突破。

研究背景

量子增強(qiáng)接收技術(shù)通過自適應(yīng)反饋算法實(shí)現(xiàn)本振光位移算子的高精度制備控制，通過光路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、器件參數(shù)的合理選擇實(shí)現(xiàn)信號(hào)光、本振光高穩(wěn)定干涉，將相干態(tài)的區(qū)分問題轉(zhuǎn)化為光子數(shù)態(tài)測(cè)量。目前量子增強(qiáng)接收技術(shù)常用的自適應(yīng)反饋判決策略有兩種：最小錯(cuò)誤概率識(shí)別(MED)和無歧義量子態(tài)識(shí)別(USD)。USD允許存在無法識(shí)別的現(xiàn)象以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)正確的判決，通常采用輪詢淘汰的方法來進(jìn)行判決，然而，由于微弱光信號(hào)的能量有限，傳統(tǒng)USD量子增強(qiáng)接收方法的適用微弱信號(hào)范圍較小，微弱信號(hào)識(shí)別的錯(cuò)誤率較高。



圖1 具有穩(wěn)定性控制和反饋模塊的同源本振光量子增強(qiáng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖

主要內(nèi)容

本文采用的“經(jīng)典調(diào)制+量子測(cè)量”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇目前空間相干光通信應(yīng)用最廣泛的QPSK調(diào)制編碼方式，提出一種USD量子增強(qiáng)接收混合測(cè)量?jī)?yōu)化模型，將高維的四態(tài)相干態(tài)識(shí)別問題轉(zhuǎn)化為低維二態(tài)識(shí)別問題，通過梯度下降法優(yōu)化了能量分區(qū)比例，分析了探測(cè)器的探測(cè)效率和暗計(jì)數(shù)、位移操作的干涉度和透射率等非理想因素，為提高QPSK相干態(tài)USD量子增強(qiáng)接收的實(shí)際應(yīng)用提供了參考。



圖2 本文提出的USD量子增強(qiáng)接收混合測(cè)量方案圖

本文提出的USD混合測(cè)量方案收到QPSK相干態(tài)信號(hào)后通過特定透射率和反射率的分束器將信號(hào)分為兩部分。一部分輸入經(jīng)典平衡零差測(cè)量階段，判斷接收到的相干態(tài)在復(fù)平面上位于X軸的上半部還是下半部，實(shí)現(xiàn)QPSK四態(tài)識(shí)別問題到BPSK二態(tài)識(shí)別問題的轉(zhuǎn)化，并將判決結(jié)果輸入到BPSK量子增強(qiáng)接收測(cè)量階段，選擇相對(duì)應(yīng)的位移算子進(jìn)行下一步增強(qiáng)接收。同時(shí)采用梯度下降法優(yōu)化能量分區(qū)比例，相比于傳統(tǒng)QPSK量子增強(qiáng)接收方案，混合測(cè)量方案具有更高的無歧義結(jié)論率。

研究前景與展望

量子增強(qiáng)接收技術(shù)已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)方面展現(xiàn)出突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限并不斷逼近Helstrom極限的潛力，但是微弱信號(hào)相干探測(cè)量子增強(qiáng)接收技術(shù)研究尚面臨一些實(shí)際應(yīng)用問題。在系統(tǒng)發(fā)送端調(diào)制維度方面，目前量子增強(qiáng)接收主要適用于BPSK、QPSK等調(diào)制方式，未來可以設(shè)計(jì)適用于更高維度調(diào)制的自適應(yīng)反饋算法策略，在兼顧硬件設(shè)備條件（電學(xué)器件的響應(yīng)時(shí)間、探測(cè)帶寬等）下能夠更快更高效的區(qū)分相干態(tài)；在探測(cè)接收物理實(shí)現(xiàn)維度方面，開展高精度的本振光位移算子制備，提高本振光位移算子與信號(hào)光之間的高干涉度是提高量子增強(qiáng)接收物理實(shí)現(xiàn)的重要保證，同時(shí)未來基于光子數(shù)分辨探測(cè)、共軛探測(cè)接收的量子增強(qiáng)接收理論與實(shí)驗(yàn)（EPJ Quantum Technology volume 10,12 (2023)）也是有意義的研究方向。

審核編輯：劉清