一種QPSK調制量子增強接收的混合測量優(yōu)化方案

導讀

在空間相干激光通信高速化、深空化、集成化和網絡化的愿景驅動下，單光子級微弱信號的高靈敏度探測技術成為研究熱點之一。當前空間相干激光通信系統(tǒng)通常采用DPSK、QPSK以及PPM調制方式為主，高階調制對于高維相干態(tài)區(qū)分探測提出了更高的要求，如何發(fā)展適用于高階調制微弱信號的高靈敏度探測技術是未來研究的重要方向之一。 在經典理論框架下，傳統(tǒng)相干探測方法受限于散粒噪聲對應的標準量子極限，而量子增強接收技術通過引入位移算子將BPSK、QPSK等調制的相干態(tài)探測轉化/映射為光子數(shù)態(tài)測量，采用單光子探測器/光子數(shù)區(qū)分探測器可以在能量和帶寬的應用上展現(xiàn)量子探測技術的優(yōu)勢，實現(xiàn)微弱信號相干探測標準量子極限的突破。

研究背景

量子增強接收技術通過自適應反饋算法實現(xiàn)本振光位移算子的高精度制備控制，通過光路結構的設計、器件參數(shù)的合理選擇實現(xiàn)信號光、本振光高穩(wěn)定干涉，將相干態(tài)的區(qū)分問題轉化為光子數(shù)態(tài)測量。目前量子增強接收技術常用的自適應反饋判決策略有兩種：最小錯誤概率識別(MED)和無歧義量子態(tài)識別(USD)。USD允許存在無法識別的現(xiàn)象以實現(xiàn)絕對正確的判決，通常采用輪詢淘汰的方法來進行判決，然而，由于微弱光信號的能量有限，傳統(tǒng)USD量子增強接收方法的適用微弱信號范圍較小，微弱信號識別的錯誤率較高。



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接收機結構圖

主要內容

本文采用的“經典調制+量子測量”系統(tǒng)結構，選擇目前空間相干光通信應用最廣泛的QPSK調制編碼方式，提出一種USD量子增強接收混合測量優(yōu)化模型，將高維的四態(tài)相干態(tài)識別問題轉化為低維二態(tài)識別問題，通過梯度下降法優(yōu)化了能量分區(qū)比例，分析了探測器的探測效率和暗計數(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量子增強接收的實際應用提供了參考。



圖2 本文提出的USD量子增強接收混合測量方案圖

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

研究前景與展望

量子增強接收技術已經在理論和實驗方面展現(xiàn)出突破標準量子極限并不斷逼近Helstrom極限的潛力，但是微弱信號相干探測量子增強接收技術研究尚面臨一些實際應用問題。在系統(tǒng)發(fā)送端調制維度方面，目前量子增強接收主要適用于BPSK、QPSK等調制方式，未來可以設計適用于更高維度調制的自適應反饋算法策略，在兼顧硬件設備條件（電學器件的響應時間、探測帶寬等）下能夠更快更高效的區(qū)分相干態(tài)；在探測接收物理實現(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光之間的高干涉度是提高量子增強接收物理實現(xiàn)的重要保證，同時未來基于光子數(shù)分辨探測、共軛探測接收的量子增強接收理論與實驗（EPJ Quantum Technology volume 10,12 (2023)）也是有意義的研究方向。

審核編輯：劉清