CN101917268B - 一种量子密码分发偏振反馈系统的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种量子密码分发偏振反馈系统的实现方法，该方法包括：激光器产生的信号经过信道光纤依次进入偏振控制器和探测器，当信号进入探测器时，探测器开始计数；当系统错误率大于预先设定数值时，偏振反馈模块工作；激光器发出特定偏振光，偏振反馈模块发出反馈信号至偏振控制器，偏振控制器根据电压的变化对传输的信号进行调整。本发明的偏振反馈由接收方发起，需要发送方和接收方的可靠连接传递命令，控制发送方发出确定偏振的光，接收方通过控制相应HV/+-基矢的偏振控制器，调整其偏振到需要状态。偏振反馈模块根据需要控制发送方激光器发出不同偏振方向的光在接收方进行反馈，补偿信道光纤受到扰动带来的影响。

Description

一种量子密码分发偏振反馈系统的实现方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，尤其是一种量子密码分发偏振反馈系统的实现方法。

背景技术

偏振反馈算法工作在偏振编码的量子密码分发方案中，由于发送方和接收方之间的光纤可能受到环境等因素的扰动，其中光信号的偏振会发生变化，这会导致接收方错误率增加。为了保持较低的错误率，偏振编码的量子密钥分发系统中需要进行偏振反馈。

在量子密码分发系统中，发送方发出的H、V光在HV基矢下探测应当分别得到H、V结果，而在发送方、接收方之间没有受到攻击时，如果H光探测结果出现V光，即说明接收方基矢方向与发送方基矢方向有部分偏差，其偏差的大小可以由这时V光占发出的H光的比例确定。相应地，发送方发出的+光、-光在+-基矢下探测应当分别得到+、-结果。因此需要在接收方基矢与发送方偏差的时候进行纠正，以减小或消除信道光纤受到干扰带来的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、能够精确进行偏振反馈的量子密码分发偏振反馈系统的实现方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种量子密码分发偏振反馈系统的实现方法，该系统包括偏振控制器，偏振控制器分别通过信道光纤与激光器和探测器连接，所述的探测器和偏振控制器之间设有偏振反馈模块，偏振控制器、探测器和偏振反馈模块组成反馈回路，偏振反馈模块与激光器相连；

所述的偏振反馈模块由反馈算法模块和电压输出模块组成，反馈算法模块的信号输入端与探测器的信号输出端相连，反馈算法模块的信号输出端分别与电压输出模块和激光器的信号输入端相连，电压输出模块与偏振控制器相连；

所述的探测器由偏振分束器和单光子计数器组成，偏振控制器通过偏振分束器与单光子计数器相连，单光子计数器与反馈算法模块相连；

所述的偏振控制器包括第一、二偏振控制器，激光器依次通过信道光纤、光纤分束器与第一、二偏振控制器相连，所述的偏振分束器包括第一、二偏振分束器，所述的单光子计数器包括第一、二、三、四单光子计数器，第一偏振控制器通过第一偏振分束器分别与第一、二单光子计数器相连，第二偏振控制器通过第二偏振分束器分别与第三、四单光子计数器相连；

该方法包括下列顺序的步骤：

(1)激光器产生的信号经过信道光纤依次进入偏振控制器和探测器，当信号进入探测器时，探测器开始计数；

(2)当系统错误率大于预先设定数值时，偏振反馈模块工作；

(3)偏振反馈模块发出反馈信号至偏振控制器，偏振控制器根据电压的变化对传输的信号进行调整；

首先设定错误率阈值，量子密钥分发系统根据量子密码分发运行错误率进行判断，当错误率连续多次超过设定的错误率阈值时，偏振反馈模块工作，首先进行HV基矢反馈，偏振反馈模块请求激光器发出单一的H光直至反馈到H/V对比度达到设定的对比度为止，之后进行+-基矢反馈，偏振反馈模块请求激光器发送单一+光直至反馈到+/-对比度达到设定的对比度为止，如果此时H/V比例也满足要求，反馈结束，激光器开始下一个周期的密钥生成工作。

由上述技术方案可知，本发明的偏振反馈由接收方发起，需要发送方和接收方的可靠连接传递命令，控制发送方发出确定偏振的光，接收方通过控制相应HV/+-基矢的偏振控制器，调整其偏振到需要状态。偏振反馈模块根据需要控制发送方激光器发出不同偏振方向的光在接收方进行反馈，补偿信道光纤受到扰动带来的影响。

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2为图1中信道光纤、偏振控制器和探测器的结构图；

图3、4、5分别为本发明的主流程图、单基矢反馈流程图和一维反馈流程图。

具体实施方式

一种量子密码分发偏振反馈系统，包括偏振控制器10，偏振控制器10分别通过信道光纤20与激光器30和探测器40连接，所述的探测器40和偏振控制器10之间设有偏振反馈模块50，偏振控制器10、探测器40和偏振反馈模块50组成反馈回路，偏振反馈模块50与激光器30相连，如图1所示。

如图1、2所示，所述的偏振反馈模块50由反馈算法模块51和电压输出模块52组成，反馈算法模块51的信号输入端与探测器40的信号输出端相连，反馈算法模块51的信号输出端分别与电压输出模块52和激光器30的信号输入端相连，电压输出模块52与偏振控制器10相连。所述的探测器40由偏振分束器41和单光子计数器42组成，偏振控制器10通过偏振分束器41与单光子计数器42相连，单光子计数器42与反馈算法模块51相连。

如图1、2所示，所述的偏振控制器10包括第一、二偏振控制器11、12，激光器30通过信道光纤20分别与第一、二偏振控制器11、12相连，所述的偏振分束器41包括第一、二偏振分束器41a、41b，所述的单光子计数器42包括第一、二、三、四单光子计数器42a、42b、42c、42d，第一偏振控制器11通过第一偏振分束器41a分别与第一、二单光子计数器42a、42b相连，第二偏振控制器12通过第二偏振分束器41b分别与第三、四单光子计数器42c、42d相连。偏振反馈由接收方发起，需要发送方和接收方的可靠连接传递命令，控制发送方发出确定偏振的光，接收方通过控制相应HV/+-基矢的偏振控制器10，调整其偏振到需要状态。

如图3所示，在工作时，激光器30产生的信号经过信道光纤20依次进入偏振控制器10和探测器40，当信号进入探测器40时，探测器40开始计数；当系统错误率大于预先设定数值时，偏振反馈模块50工作；偏振反馈模块50发出反馈信号至偏振控制器10，偏振控制器10根据电压的变化对传输的信号进行调整。

如图3所示，首先系统设定错误率阈值，探测器40根据量子密码分发运行错误率进行判断，当错误率连续多次超过设定的错误率阈值时，偏振反馈模块50工作。比如设定连续3次超过2％即开始反馈，保留数据的错误率设定为2.2％，即运行间超过2.2％的数据全部丢掉。接收方根据量子密码分发运行错误率进行判断，当错误率连续三次超过某个设定的阈值，接收方向发送方请求开始HV基矢反馈。首先进行HV基矢反馈，偏振反馈模块50请求激光器30发出单一的H光直至反馈到H/V对比度达到设定的对比度为止，之后进行+-基矢反馈，偏振反馈模块50请求激光器30发送单一+光直至反馈到+/-对比度达到设定的对比度为止，如果此时H/V比例也满足要求，反馈结束，激光器开始下一个周期的密钥生成工作。

如图4所示，所述的第一偏振控制器10进行HV基矢反馈，第二偏振控制器10进行+-基矢反馈，第一、二偏振控制器10均有三个轴，需要三个轴配合将任一偏振态调节至任一输出偏振态，并输入探测器40进行计数；偏振反馈模块50对每一个轴均进行一维反馈，直至调整该轴电压使计数达到最优，即该轴电压再进行调节计数均会比当前更差为止。在某一基矢进行反馈的时候，另外基矢的电压保持不变。量子密码分发正常运行时，偏振控制器10的输入电压保持恒定。探测器40固定时间间隔上传数据，反馈算法模块51将数据累加至指定时间间隔，如0.5s，以保证数据量足够多，其平均波动较小。

如图4所示，在进行单基矢反馈时，如果第一次切换至该基矢反馈，即自上一次非反馈该基矢状态切换至反馈该基矢状态，则选择偏振控制器10第一个轴或任一轴开始进行反馈；如果当前轴反馈结束，即由上一次一维反馈给出结果，但对比度未达到设定要求，则切换到偏振控制器10下一个轴进行一维反馈；如果对比度优于设定对比度并且当前轴反馈到最优，则停止该基矢的反馈。停止本基矢反馈后，如果正在反馈的基矢为HV，则向发送方申请切换到+-基矢反馈；如果正在反馈的基矢为+-，需要判断当前HV基矢数据，如果HV基矢比例在1附近，如0.8-1.2之间，则认为判定通过，向发送方申请反馈结束；如果HV基矢比例超过允许范围，则认为可能受到攻击，或者+-反馈期间光纤偏振变化过大，向发送方申请进行HV反馈。

如图5所示，反馈算法模块51读取单光子计数器42的计数值，判断临近两次计数值是否模糊，如果本次计数与上次计数差值过小，则认为电压变化对本轴计数已经没有太大影响，保持电压不变，结束本轴反馈，下次将反馈下一轴；若当前计数是该轴反馈的第一次计数，或者，当前计数比上一次小，则继续在该轴上一次电压改变方向上改变计算所得电压步长，并判断是否超过范围。如果两次差值小于当前计数平方根的一半，则认为计数差过小，计数模糊。当前轴进行一维反馈会计算得到下一次输出电压，其他轴维持上次设定电压。

如图5所示，如果只有两次计数，并且本次计数大于上一次计数，或者，有3次或以上计数，本次计数大于上一次计数，并且上一次计数大于第三次历史计数，则改变该轴电压变化方向，并且如上改变计算所得电压步长，并判断是否超过范围。如果上一次历史计数是3次历史计数中最优值，并且本轴至少连续2次改变电压时电压变化的方向没有发生变化则认为上一次计数为本轴最优计数，根据上一次计数反向改变一次电压，变回获得上一次计数时的电压，本轴反馈过程结束，并且本轴得到最优值。

如图5所示，为了使计数在距最优值远的时候变化大，而距最优值附近时精细调节，对不同计数采用不同电压步长。目前采用方法为：计数小于500时，电压变化为设定的最小步长；计数大于5000时，电压变化为设定的最大步长；计数在期间时，电压变化为随计数增长而增长的线性插值。偏振控制器10的工作电压范围为0-150V，当算法给出的电压超过该范围时，增加或减小偏振控制器10的2*PI电压倍数，使电压落到该范围内。不同偏振控制器不同，需要外部参数设定。

Claims (5)

1.一种量子密码分发偏振反馈系统的实现方法，该系统包括偏振控制器，偏振控制器分别通过信道光纤与激光器和探测器连接，所述的探测器和偏振控制器之间设有偏振反馈模块，偏振控制器、探测器和偏振反馈模块组成反馈回路，偏振反馈模块与激光器相连；

所述的偏振反馈模块由反馈算法模块和电压输出模块组成，反馈算法模块的信号输入端与探测器的信号输出端相连，反馈算法模块的信号输出端分别与电压输出模块和激光器的信号输入端相连，电压输出模块与偏振控制器相连；

所述的探测器由偏振分束器和单光子计数器组成，偏振控制器通过偏振分束器与单光子计数器相连，单光子计数器与反馈算法模块相连；

所述的偏振控制器包括第一、二偏振控制器，激光器依次通过信道光纤、光纤分束器与第一、二偏振控制器相连，所述的偏振分束器包括第一、二偏振分束器，所述的单光子计数器包括第一、二、三、四单光子计数器，第一偏振控制器通过第一偏振分束器分别与第一、二单光子计数器相连，第二偏振控制器通过第二偏振分束器分别与第三、四单光子计数器相连；

该方法包括下列顺序的步骤：

(1)激光器产生的信号经过信道光纤依次进入偏振控制器和探测器，当信号进入探测器时，探测器开始计数；

(2)当系统错误率大于预先设定数值时，偏振反馈模块工作；

(3)激光器发出特定偏振光，偏振反馈模块发出反馈信号至偏振控制器，偏振控制器根据电压的变化对传输的信号进行调整；

首先设定错误率阈值，量子密钥分发系统根据量子密码分发运行错误率进行判断，当错误率连续多次超过设定的错误率阈值时，偏振反馈模块工作，首先进行HV基矢反馈，偏振反馈模块请求激光器发出单一的H光直至反馈到H/V对比度达到设定的对比度为止，之后进行+-基矢反馈，偏振反馈模块请求激光器发送单一+光直至反馈到+/-对比度达到设定的对比度为止，如果此时H/V比例也满足要求，反馈结束，激光器开始下一个周期的密钥生成工作。

2.根据权利要求1所述的量子密码分发偏振反馈系统的实现方法，其特征在于：所述的第一偏振控制器进行HV基矢反馈，第二偏振控制器进行+-基矢反馈，第一、二偏振控制器均有三个轴，三个轴将任一偏振态调节至任一输出偏振态，并经投影测量后输入探测器计数，探测器输出计数值；偏振反馈模块对每一个轴均进行一维反馈，偏振反馈模块迭代进行一维反馈，直至该基矢计数值达到要求为止。

3.根据权利要求2所述的量子密码分发偏振反馈系统的实现方法，其特征在于：在进行单基矢反馈时，如果第一次切换至该基矢反馈，即自上一次非反馈该基矢状态切换至反馈该基矢状态，则选择偏振控制器第一个轴或任一轴开始进行反馈；如果当前轴反馈结束，即由上一次一维反馈给出结果，但对比度未达到设定要求，则切换到偏振控制器下一个轴进行一维反馈；如果对比度优于设定对比度并且当前轴反馈到最优，则停止该基矢的反馈。

4.根据权利要求3所述的量子密码分发偏振反馈系统的实现方法，其特征在于：反馈算法模块读取单光子计数器的计数值，判断临近两次计数值是否模糊，如果本次计数与上次计数差值过小，则认为电压变化对本轴计数已经没有太大影响，保持电压不变，结束本轴反馈，下次将反馈下一轴；若当前计数是该轴反馈的第一次计数，或者，当前计数优于上一次计数，则继续在该轴上一次电压改变方向上改变计算所得电压步长，并判断是否超过范围；若本轴反馈已达到最优，则停止反馈，下次进行下一个轴的反馈；若当前计数差于上一次计数，则改变该轴电压变化方向，并计算步长，计算输出电压。

5.根据权利要求4所述的量子密码分发偏振反馈系统的实现方法，其特征在于：如果两次差值小于当前计数平方根的一半，则计数差过小，计数模糊；当前轴进行一维反馈会计算得到下一次输出电压，其他轴维持上次设定电压；如果只有两次计数，并且本次计数大于上一次计数，或者，有3次或以上计数，本次计数大于上一次计数，并且上一次计数大于第三次历史计数，则改变该轴电压变化方向，并且如上改变计算所得电压步长，并判断是否超过范围；如果上一次历史计数是3次历史计数中最优值，并且本轴至少连续2次改变电压时电压变化的方向没有发生变化则认为上一次计数为本轴最优计数，根据上一次计数反向改变一次电压，本轴反馈过程结束，并且本轴得到最优值。

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