一种QPSK调制量子增强接收的混合测量优化方案

导读

在空间相干激光通信高速化、深空化、集成化和网络化的愿景驱动下，单光子级微弱信号的高灵敏度探测技术成为研究热点之一。当前空间相干激光通信系统通常采用DPSK、QPSK以及PPM调制方式为主，高阶调制对于高维相干态区分探测提出了更高的要求，如何发展适用于高阶调制微弱信号的高灵敏度探测技术是未来研究的重要方向之一。 在经典理论框架下，传统相干探测方法受限于散粒噪声对应的标准量子极限，而量子增强接收技术通过引入位移算子将BPSK、QPSK等调制的相干态探测转化/映射为光子数态测量，采用单光子探测器/光子数区分探测器可以在能量和带宽的应用上展现量子探测技术的优势，实现微弱信号相干探测标准量子极限的突破。

研究背景

量子增强接收技术通过自适应反馈算法实现本振光位移算子的高精度制备控制，通过光路结构的设计、器件参数的合理选择实现信号光、本振光高稳定干涉，将相干态的区分问题转化为光子数态测量。目前量子增强接收技术常用的自适应反馈判决策略有两种：最小错误概率识别(MED)和无歧义量子态识别(USD)。USD允许存在无法识别的现象以实现绝对正确的判决，通常采用轮询淘汰的方法来进行判决，然而，由于微弱光信号的能量有限，传统USD量子增强接收方法的适用微弱信号范围较小，微弱信号识别的错误率较高。



图1 具有稳定性控制和反馈模块的同源本振光量子增强接收机结构图

主要内容

本文采用的“经典调制+量子测量”系统结构，选择目前空间相干光通信应用最广泛的QPSK调制编码方式，提出一种USD量子增强接收混合测量优化模型，将高维的四态相干态识别问题转化为低维二态识别问题，通过梯度下降法优化了能量分区比例，分析了探测器的探测效率和暗计数、位移操作的干涉度和透射率等非理想因素，为提高QPSK相干态USD量子增强接收的实际应用提供了参考。



图2 本文提出的USD量子增强接收混合测量方案图

本文提出的USD混合测量方案收到QPSK相干态信号后通过特定透射率和反射率的分束器将信号分为两部分。一部分输入经典平衡零差测量阶段，判断接收到的相干态在复平面上位于X轴的上半部还是下半部，实现QPSK四态识别问题到BPSK二态识别问题的转化，并将判决结果输入到BPSK量子增强接收测量阶段，选择相对应的位移算子进行下一步增强接收。同时采用梯度下降法优化能量分区比例，相比于传统QPSK量子增强接收方案，混合测量方案具有更高的无歧义结论率。

研究前景与展望

量子增强接收技术已经在理论和实验方面展现出突破标准量子极限并不断逼近Helstrom极限的潜力，但是微弱信号相干探测量子增强接收技术研究尚面临一些实际应用问题。在系统发送端调制维度方面，目前量子增强接收主要适用于BPSK、QPSK等调制方式，未来可以设计适用于更高维度调制的自适应反馈算法策略，在兼顾硬件设备条件（电学器件的响应时间、探测带宽等）下能够更快更高效的区分相干态；在探测接收物理实现维度方面，开展高精度的本振光位移算子制备，提高本振光位移算子与信号光之间的高干涉度是提高量子增强接收物理实现的重要保证，同时未来基于光子数分辨探测、共轭探测接收的量子增强接收理论与实验（EPJ Quantum Technology volume 10,12 (2023)）也是有意义的研究方向。

审核编辑：刘清