CN103178954B - 一种用于提高相位调制器半波电压测量可信度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子保密通信领域，公开了一种基于单光子水平扫描的发送有限光子脉冲条件下提高相位调制器半波电压测量可信度的方法。该方法通过对光子计数统计起伏对半波电压测量可信度的分析，确定在发送有限光子脉冲条件下，为使相位调制器半波电压的测量在给定精度下达到一定可信度，单光子探测器在半波电压波峰需探测的光子数，从而提高测量数据的可信度。通过由不完善干涉导致的误码率求出允许相位误差，确定计数起始相位角，并通过统计方法获取光子计数与半波电压测量可信度的关系。该方法有效解决了光子计数统计起伏对测量可信度的影响，适用于常用的相位编码系统，为量子密钥分发系统提供了一种有实际应用价值的精确相位测量方案。

Description

一种用于提高相位调制器半波电压测量可信度的方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信密钥分发领域相位调制器半波电压的测量，更具体地，涉及到一种基于单光子水平扫描的发送有限光子脉冲条件下提高相位调制器半波电压测量可信度的方法。

背景技术

量子保密通信即量子密码术，是量子信息学一个重要的研究分支，也是目前量子信息学中最接近于实用的一个新兴技术。由量子力学的基本原理保证了通信过程中的绝对安全，使量子通信技术在信息安全方面拥有了经典通信技术无法比拟的优势与前景，特别是在军事、商业保密等高机密行业有着广泛的用途。量子密钥分发系统通过量子信道(如光纤)分发一组随机密钥，这组随机密钥用来加解密所需传送的信息，经加密的信息可通过任何无保护的通信信道进行传输。在编码方案方面，根据携带量子信息物理量的不同，主要有偏振编码、相位编码、连续变量编码等方案，相比偏振编码来说，光子信号在光纤中传输时其相位信息更易保持，因此绝大多数现有的光纤量子密码系统都采用相位编码方案实现。

基于相位编码的量子密钥分发，其密钥信息的加载及主动相位补偿都与相位调制器的半波电压有关，半波电压测量的可信度直接影响量子密钥分发的误码率。相位调制器半波电压是指当相移为π时所需调制的电压，测量方法主要有光通信模拟法、极值测量法、倍频调制法，上述方法均采用强光信号进行测量，而在量子通信系统中实际采用单光子水平的光脉冲进行通信，由于半波电压测量与实际通信时的条件不同，导致上述方法测得的半波电压在量子通信中精度不高，用于量子密钥分发时具有较高的误码率。目前用于量子保密通信基于单光子水平的半波电压精确测量方法有多种被提出并得到实际应用，如基于萨尼亚克光纤干涉仪的测量方法、基于确定性量子密钥分发误码判据的测定方法等。这些方法有效提高了半波电压测量精度，但在测量过程中，由于光子计数的统计起伏，测量数据有所波动，其测量结果存在置信度的问题。在实际半波电压测量中，受探测器光子探测效率及相位漂移的影响，常采用发送有限光子脉冲数进行半波电压相位扫描。2004年，VadimMakarov等人在进行基于单光子水平的相位漂移参数扫描时，针对光子计数统计起伏对测量结果可信度的影响，分析了在给定相位精度条件下，为使测量结果达到一定可信度，所需探测的光子数，但该方法只涉及在同一相位扫描点上光子计数起伏对测量结果的影响，未涉及在不同相位扫描点间由于光子计数统计起伏，其光子统计结果存在重叠区间对测量结果影响这一问题。

发明内容

本发明的目的是为解决光子计数统计起伏对半波电压测量可信度的影响，具体为在给定精度要求条件下，光子计数统计起伏对半波电压测量过程中同一相位扫描点光子计数分布区间的影响及不同相位扫描点间光子计数分布区间重叠的现象；提供了一种在发送有限光子脉冲条件下提高相位调制器半波电压测量可信度的方法，该方法有效解决光子计数统计起伏对半波电压测量可信度的影响，对半波电压的精确测量具有重要意义，能够作为基于单光子水平扫描半波电压测量结果可信度的参考依据。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于提高相位调制器半波电压测量可信度的方法，包括以下步骤：

S1.设置单个相位扫描点所需发送的光子脉冲数N；

S2.根据通信系统设置相关参数，包含平均每脉冲光子数μ、传输衰减率λ及探测器的探测效率η，分析计算每个光子从发送端到达探测器的概率x及每个光子被探测器探测到光子的概率p(θ)；

S3.设置不完善干涉引起的误码率阈值QBER_opt和半波电压测量可信度y；

S4.根据误码率阈值QBER_opt计算出相位误差并计算出起始相位角

S5.根据下式计算出达到半波电压测量可信度y，且误码率阈值QBER_opt时所需探测到的光子数目k， $y=\frac{\underset{\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}}{\overset{\mathrm{\π}}{\Σ}}{C}_N^k{\left(xp\right(\mathrm{\θ}\left)\right)}^k{(1-xp(\mathrm{\θ}\left)\right)}^{N-k}}{\underset{\mathrm{\θ}=0}{\overset{\mathrm{\π}}{\Σ}}{C}_N^k{\left(xp\right(\mathrm{\θ}\left)\right)}^k{(1-xp(\mathrm{\θ}\left)\right)}^{N-k}};$

S6.进行半波电压的扫描测量，验证探测器所探测的光子数是否达到探测光子数目k的探测要求；在半波电压扫描周期内，两探测器在各计数最高点其光子计数均在k以上，则满足探测要求，执行步骤S7；否则返回再次执行步骤S6；

S7.对两探测器计数最高点对应的加载电压进行差值计算，得到相位调制器半波电压。

上述步骤S6是利用Matlab软件仿真分析探测光子数目k与半波电压测量置信度y的关系，相干光子计数服从二项分布，具体为

$y=\frac{\underset{\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}}{\overset{\mathrm{\π}}{\Σ}}{C}_N^k{\left(xp\right(\mathrm{\θ}\left)\right)}^k{(1-xp(\mathrm{\θ}\left)\right)}^{N-k}}{\underset{\mathrm{\θ}=0}{\overset{\mathrm{\π}}{\Σ}}{C}_N^k{\left(xp\right(\mathrm{\θ}\left)\right)}^k{(1-xp(\mathrm{\θ}\left)\right)}^{N-k}}.$

步骤S7是以步骤S6所得结果为依据，进行半波电压的扫描测量，干涉系统两个单光子探测器的计数值呈互补关系，在半波电压扫描周期内，如两探测器均探测到已设置信度对应光子计数区间内的计数值，其值所对应的加载电压差即为半波电压。如未探测到已设置信度对应光子计数区间内的计数值，则进行循环扫描。

更进一步，所述步骤S1中光子脉冲数N大于1×10³。光子统计的特征一般要选择在1×103以上才能够体现出来，在实际中，光子脉冲数N越大越好，但是考虑到其相位漂移等，光子脉冲数需选择一个较合适的数据。

更进一步，所述μ的范围为0-1，λ的范围为0-1，η的范围为0-1。

更进一步，μ的取值为0.1或0.2，η的取值为10％-25％。

更进一步，所述误码率阈值QBER_opt为0-11.5％。根据量子保密通信系统的性能参数(如暗计数率、相位漂移率等)，确定由不完善的干涉或偏振对比度所引起的允许量子误码率QBER_opt的阈值。

更进一步，所述步骤S4中误码率阈值QBER_opt与相位误差(即相位精度)的关系式为：

该方法基于单光子水平扫描，根据实际通信系统设置单个相位扫描点所需发送光子脉冲数，确定由不完善干涉引起的误码率阈值，设置半波电压测量可信度，计算系统允许相位误差及起始计数角，确定为使半波电压测量结果满足一定可信度所需探测的光子数。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

根据该方法可以在发送有限光子脉冲条件下，有效解决光子计数统计起伏对半波电压测量可信度的影响，为基于单光子水平扫描半波电压测量结果的可信度提供参考依据，弥补了半波电压测量中提高测量结果可信度方法的空白。同时该方法具有一般性，相位编码系统其它参数的检测也存在类似问题，如相位漂移的检测。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是相位调制器半波电压不同相位扫描点的光子计数概率分布图。

图3是发送光子脉冲数为6×10³、半波电压测量可信度与所需探测光子数关系曲线仿真图。

图4是发送光子脉冲数为6×10³、半波电压测量可信度为95％条件下，所需探测光子数仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

一般的，基于单光子水平的半波电压相位扫描一般是在相位调制器上逐步加载驱动电压，通过光纤干涉仪输出光子数的极值判断半波电压的大小。但输出的光子数存在随机起伏，尤其当发送光子数较小的情况下，其计数起伏影响更为显著，由于不同驱动电压对应相位扫描点的光子计数的概率分布不同，当相位扫描点间相位差不大的情况下，光子计数的概率分布存在重叠区间，参见图2阴影部分所示。图2中，phase1曲线是指加载电压对应相位角为phase1时光子探测概率分布曲线，最大探测概率ζ1对应的光子计数为k1；phase2曲线是指加载电压对应相位角为phase2时光子探测概率分布曲线，最大探测概率ζ2对应的光子计数为k2。由图2可见，在不同驱动电压对应相位扫描点的光子计数存在重叠区间，导致无法判断处于重叠区间的计数值所对应的加载电压，以致半波电压测量不准确，即其值存在置信度问题，半波电压测量置信度是指半波电压测量结果满足精度要求的概率。

本实施例提供了一种发送有限光子脉冲条件下提高相位调制器半波电压测量可信度的方法。

参见图1，该方法是基于单光子水平扫描实现对半波电压的精确测量，包括以下步骤：

步骤101：设置每个半波电压相位扫描点所需发送光子脉冲数，光子统计的特征一般要选择在1×10³以上才能够体现出来，本实施采用的发送光子脉冲数N为6×10³个；

步骤102：确定通信系统相关参数，包含平均每脉冲光子数、传输衰减率及探测器的探测效率，计算平均每光子脉冲被探测到的概率；

1)平均每脉冲光子数μ的设置：

现有理想单光子源不成熟，本实施采用经过强衰减的弱相干光来模拟理想的单光子源，平均每脉冲光子数μ采用安全密钥生成率最优化的0.2个光子；

2)传输衰减率λ的设置：

不同通信系统的传输衰减率λ均不相同，本实施中暂不考虑传输衰减；

3)单光子探测器的探测效率η的设置：

本实施采用积分门控单光子探测器探测光信号，探测元件为工作在盖革模式下的雪崩光电二极管，探测器的探测效率η为10％；

4)平均每光子脉冲被探测到概率x的计算：

步骤103：设置由不完善干涉引起的误码率阈值及半波电压测量可信度；

1)不完善干涉引起的误码率阈值QBER_opt的设置：

误码主要来源于不完善的干涉或偏振对比度、探测器暗计数等方面，在密钥提取过程中，误码具有一定的容限率，根据安全分析，这一阈值大约为11％，当误码接近这一阈值时，密钥交换率趋近于0。相比不完善干涉引起的误码率，其它误码来源更难以控制，本实施将由不完善干涉引起的误码率阈值QBER_opt设置为1％；

2)半波电压测量可信度y的设置：

本实施将半波电压测量可信度y设置为95％。

步骤104：不完善干涉导致的相位误差的计算及起始计数角的设置；

1)不完善干涉导致的相位误差的计算：

根据不完善干涉导致的相位误差与误码率的关系式将QBER_opt为1％代入，得到相应相位误差为10°，即半波电压测量精度应控制在10°以内；

2)起始计数角α的设置：

半波电压对应的相位为π，将步骤104第1项计算结果代入起始相位角计算公式得到起始相位角α为170°。

步骤105：在发送有限光子脉冲数N的条件下，根据半波电压测量可信度与探测单光子数关系式确定计数最高点所需探测光子数；

根据步骤101的设置，在发送有限光子脉冲数6×10³的条件下，将步骤102～步骤104所设置的参数及计算结果代入半波电压测量可信度y与探测单光子数k关系式，利用Matlab软件进行模拟仿真，得到半波电压测量可信度与探测光子数的关系曲线如图3所示。参见图4可知，在发送光子脉冲数为6×10³、不完善干涉引起的误码率QBER_opt为1％的条件下，为使半波电压测量可信度达到95％，在计数最高点所需探测光子数应在310以上。

步骤106：进行半波电压的扫描测量，验证是否满足已设置信度对应光子计数要求；

在半波电压扫描周期内，两探测器在各计数最高点其光子计数均在310以上，则满足探测要求，执行步骤107；否则返回再次执行步骤106。

步骤107：对两探测器计数最高点对应的加载电压进行差值计算，得到相位调制器半波电压。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于提高相位调制器半波电压测量可信度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.设置单个相位扫描点所需发送的光子脉冲数N；

S2.根据通信系统设置相关参数，包含平均每脉冲光子数μ、传输衰减率λ及探测器的探测效率η，分析计算每个光子从发送端到达探测器的概率x及每个光子被探测器探测到光子的概率p(θ)；

S3.设置不完善干涉引起的误码率阈值QBER_opt和半波电压测量可信度y；

S4.根据误码率阈值QBER_opt计算出相位误差并计算出起始相位角

S5.根据下式计算出达到半波电压测量可信度y，且误码率阈值QBER_opt时所需探测到的光子数目k， $y=\frac{\underset{\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}}{\overset{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}{C}_N^k{\left(xp\right(\mathrm{\θ}\left)\right)}^k{(1-xp(\mathrm{\θ}\left)\right)}^{N-k}}{\underset{\mathrm{\θ}=0}{\overset{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}{C}_N^k{\left(xp\right(\mathrm{\θ}\left)\right)}^k{(1-xp(\mathrm{\θ}\left)\right)}^{N-k}};$

S6.进行半波电压的扫描测量，验证探测器所探测的光子数是否达到探测光子数目k的探测要求；在半波电压扫描周期内，两探测器在各计数最高点其光子计数均在k以上，则满足探测要求，执行步骤S7；否则返回再次执行步骤S6；

S7.对两探测器计数最高点对应的加载电压进行差值计算，得到相位调制器半波电压。

2.根据权利要求1所述的用于提高相位调制器半波电压测量可信度的方法，其特征在于，所述步骤S1中光子脉冲数N大于1×10³。

3.根据权利要求1所述的用于提高相位调制器半波电压测量可信度的方法，其特征在于，所述μ的范围为0-1，λ的范围为0-1，η的范围为0-1。

4.根据权利要求1所述的用于提高相位调制器半波电压测量可信度的方法，其特征在于，所述误码率阈值QBER_opt为0-11.5％。

5.根据权利要求1所述的用于提高相位调制器半波电压测量可信度的方法，其特征在于，所述步骤S4中误码率阈值QBER_opt与相位误差的关系式为：