基于轨道角动量编码的机载MDI-QKD系统效能优化策略研究

摘要：随着信息安全需求的不断提升，量子密钥分发（QKD）技术成为保障通信安全的关键手段。机载测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）系统凭借其灵活性与机动性，在构建高效安全通信网络中具有重要意义。本文聚焦基于轨道角动量（OAM）编码的机载 MDI-QKD 系统，深入剖析其效能优化策略，旨在提升系统整体性能，为实际应用提供理论支撑与技术指导。

关键词：轨道角动量编码；机载 MDI-QKD 系统；效能优化

一、引言

在信息时代，通信安全面临诸多挑战，传统加密方式的安全性受到计算能力提升等因素威胁。量子密钥分发基于量子力学基本原理，能够实现理论上无条件安全的密钥传输，为信息安全领域带来新曙光。MDI-QKD 协议有效解决了探测器端的安全漏洞问题，增强了系统安全性。将其与机载平台相结合，利用飞机或无人机的机动性，可快速搭建临时或应急通信链路，拓展量子通信覆盖范围。而采用轨道角动量编码，凭借其独特的高维特性与旋转不变性，进一步提升系统性能。深入研究该系统的效能优化策略，对推动量子通信实用化进程具有重要价值。

二、基于轨道角动量编码的理论基础及优势

轨道角动量是光子的内禀属性，具有轨道角动量的光束，其波前呈螺旋状，相位分布为，其中l为轨道角动量量子数，可取值为为方位角。基于此，不同l值对应不同的轨道角动量态，形成无限维的 Hilbert 空间。在量子通信中，通过制备携带特定轨道角动量态的光子，可实现信息编码。利用空间光调制器等光学元件，可将高斯光束转换为携带轨道角动量的拉盖尔 - 高斯（Laguerre - Gaussian，LG）光束，其光强分布呈 “甜甜圈” 状，携带不同轨道角动量量子数l的 LG 光束相互正交，为信息编码提供丰富的维度资源。

相较于传统的偏振编码等方式，轨道角动量编码具有显著优势。在维度扩展方面，传统偏振编码仅利用光子的两个偏振态（水平与垂直偏振）进行信息编码，信息容量有限。而轨道角动量编码理论上具有无限维编码空间，可极大提升信道信息容量。在同等光子数条件下，采用轨道角动量编码可传输更多比特信息，有效提高通信效率。在抗干扰能力上，轨道角动量态在传输方向上具有旋转不变性。当通信链路存在参考系未对准等情况时，基于轨道角动量编码的信号受影响较小，能保持较好的传输稳定性，而偏振编码信号易受偏振态变化干扰，导致误码率上升。这种优势在复杂的机载通信环境中尤为重要，可保障量子密钥分发的可靠性。

三、影响机载 MDI-QKD 系统效能的因素分析

在机载环境下，大气信道并非理想传输介质，大气湍流是影响系统效能的关键因素之一。大气温度、压强等参数的随机变化形成湍流，使光束在传播过程中波前发生畸变。对于携带轨道角动量的光束，大气湍流会导致其轨道角动量态发生串扰，即不同轨道角动量模式间相互耦合。原本携带特定轨道角动量态的光子在接收端可能被误判为其他模式，增加系统误码率。大气湍流还会引起光束强度闪烁，导致接收光功率不稳定，降低信号检测可靠性。在强湍流区域，轨道角动量模式串扰概率大幅增加，严重影响系统密钥生成率。​

在自由空间传输场景下，涡旋光束所呈现的模式依赖衍射（SDD）现象对基于轨道角动量编码的机载 MDI-QKD 系统效能存在显著影响，且该影响与机载平台自身特性引发的问题相互交织。随着传输距离的增加，不同轨道角动量模式光束因横向结构差异致使扩散程度不一，高轨道角动量量子数l的模式扩散速度更快，导致接收端光斑尺寸增大、能量分散，形成几何损耗，严重时高 l 值模式光束在长距离传输后能量密度降至探测阈值以下，极大限制系统传输距离与密钥生成率。无人机、飞机等机载平台在飞行中受气流、机械振动作用产生的随机抖动，会引发发射端与接收端光束对准偏差，即指向误差，该误差使接收端轨道角动量模式发生偏移或变形，增加模式识别难度、提高误码率，且伴随抖动而来的接收光功率波动也会降低系统稳定性。

机载平台的负载能力和能源供应有限，这对 MDI-QKD 系统的设备搭载与运行产生制约。一方面，为实现高精度的轨道角动量编码与解码，需要复杂的光学设备与信号处理单元，这些设备体积与重量较大，可能超出机载平台负载限制。系统运行过程中，设备能耗较高，而机载平台能源储备有限，长时间运行可能面临能源不足问题。在小型无人机上搭载 MDI-QKD 设备时，设备重量可能占据无人机有效载荷的较大比例，且能源消耗过快，限制了系统工作时长与通信距离。

四、机载 MDI-QKD 系统效能优化策略

为充分发挥轨道角动量编码优势并提高系统抗干扰能力，可采用多维联合编码方案。将轨道角动量编码与其他编码方式（如偏振编码、时间编码等）相结合。例如，构建轨道角动量 - 偏振联合编码系统，在同一光子上同时利用轨道角动量态与偏振态进行信息编码。发送端制备携带特定轨道角动量态与偏振态组合的光子，接收端通过相应检测装置同时解码两种编码信息。这种多维联合编码方式增加了信息编码维度，提高了信道信息容量，同时不同编码方式在一定程度上可相互补偿干扰影响，降低误码率，提升系统整体性能。​

考虑到机载环境的动态变化，采用自适应调制技术可优化系统效能。在发射端，实时监测大气信道状态（如大气湍流强度、能见度等）以及机载平台抖动情况。根据监测结果，动态调整轨道角动量编码的调制参数，如选择合适的轨道角动量模式数量、调制深度等。当大气信道条件较好时，增加调制复杂度，采用更多轨道角动量模式进行编码以提高通信速率；当信道条件恶化或平台抖动加剧时，降低调制复杂度，选择稳定性更高的轨道角动量模式组合，保证通信可靠性。通过自适应调制，使系统在不同环境条件下均能保持较好的性能。​​

为减轻大气湍流对轨道角动量态的影响，可采用波前校正技术。在接收端或发射端安装波前传感器与校正装置，如自适应光学系统。波前传感器实时测量光束波前畸变情况，将测量数据反馈给校正装置。校正装置根据反馈数据生成与波前畸变相反的相位补偿信号，通过变形镜等光学元件对光束波前进行实时校正。例如，当波前传感器检测到因大气湍流导致的波前凹陷时，变形镜相应位置产生凸起，对波前进行补偿，使携带轨道角动量的光束尽可能恢复到原始状态，减少模式串扰与误码率，提高系统在大气湍流环境下的传输性能。​

针对模式依赖衍射（SDD）问题，优化模式复用与解复用过程可提高系统效能。在发射端，采用特殊设计的模式复用器，根据不同轨道角动量模式的扩散特性，对其进行预补偿。对高l值模式在发射前进行聚焦处理，使其在传输过程中的扩散与低l值模式相匹配，减小接收端光斑尺寸差异。在接收端，设计高效的模式解复用器，利用空间光调制器等设备，根据轨道角动量模式的特征对接收光束进行准确分离与识别。通过优化模式复用与解复用，降低 SDD 效应导致的几何损耗，提高系统接收光功率与密钥生成率。​

为适应机载平台负载与能源限制，开展轻量化与低功耗设备设计。在硬件选型上，选用新型轻质材料制造光学设备外壳，采用集成度高、功耗低的电子元件构建信号处理单元。利用微机电系统（MEMS）技术制造小型化、轻量化的光学调制与检测器件，降低设备重量与体积。在软件算法方面，优化信号处理算法，减少计算量，降低设备能耗。如采用高效的轨道角动量模式识别算法，在保证识别准确率的前提下，降低计算复杂度，减少处理器运算时间与能耗。通过轻量化与低功耗设备设计，使 MDI-QKD 系统更好地适配机载平台，延长系统工作时长与通信距离。

五、总结

基于轨道角动量编码的机载 MDI-QKD 系统在提升通信安全与灵活性方面具有巨大潜力。通过深入理解轨道角动量编码原理及优势，分析大气信道相关损耗和机载平台特性对系统效能的影响，提出编码与调制优化、大气信道补偿以及机载平台适配等一系列效能优化策略，能够有效提升系统性能，克服实际应用中的诸多挑战。未来，随着相关技术的不断发展与完善，该系统有望在军事通信、应急通信等领域发挥重要作用，为构建安全可靠的广域量子通信网络提供有力支撑。在后续研究中，仍需进一步加强理论研究与实验验证，不断优化系统性能，推动基于轨道角动量编码的机载 MDI-QKD 系统从理论走向实际应用。

参考文献：

[1]李蔚.高速测量设备无关量子密钥分发系统的集成化研究[D].中国科学技术大学，2020.DOI：10.27517/d.cnki.gzkju.2020.000237.

[2]张子健.参考系和测量设备无关即插即用型量子密钥分发系统优化研究[D].西安电子科技大学，2021.DOI：10.27389/d.cnki.gxadu.2021.002261.