CN104780039A

CN104780039A - 一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法

Info

Publication number: CN104780039A
Application number: CN201510121039.3A
Authority: CN
Inventors: 刘尉悦; 曹蕾; 王潮泽; 李凤芝; 钟先锋; 吴腾
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2035-03-19
Also published as: CN104780039B

Abstract

本发明公开了一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其通过实时侦测偏振探测器探测到的偏振光的功率值，并将其反馈给控制单元，控制单元通过计算波片应转动至的角度值，控制电机驱动波片转动，实现自动控制，操作简单，效率高，且能够实时进行偏振补偿；且波片应转动至的角度值的计算不依赖于偏振探测器的探测效率以及波片自身提供的参数值，使得本发明方法在复杂的控制环境下也具有很强的自适应能力；其通过计算每次校正后的偏振补偿性能指标，确定是否进行下一次校正，通过多次校正后能够使偏振补偿性能指标达到理想值，校正精度高。

Description

一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法

技术领域

本发明涉及一种偏振补偿技术，尤其是涉及一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法。

背景技术

量子保密通信是量子力学和密码学相结合的产物，是基于量子力学测不准定理和单光子不可克隆定理发展起来的一种全新的安全通信技术，而量子密钥分发作为其中最先获得应用的分支，近年来受到了广泛关注。量子密钥分发一般采用光子作为通信的物理载体，利用光子的偏振态进行信息编码，具有结构简单的优点，通常利用两组相互正交的偏振态，即水平偏振态|H>，垂直偏振态|V>以及45°偏振态|D>，135°偏振态|A>进行编码。采用普通的单模光纤作为量子态从光源到发射端的量子信道时，由于目前普通的单模光纤不完美，因此普通的单模光纤在拉制过程中会产生双折射效应，会使光子的偏振态发生改变，而光子的偏振态的改变会增加量子通信的误码率，这使得基于偏振编码的量子密钥分发变得困难。因此，量子密钥分发过程中的偏振补偿是一个必须解决的技术问题。

为了克服偏振效应对量子保密通信带来的不利影响和制约，需要一种能将光纤中一个输入偏振态转换为一个需要的偏振态的偏振控制器件，这种器件称为偏振控制器。基于LiNbO₃材料的偏振控制器，虽然控制速度比较快，但是插入损耗高、偏振相关损耗大，并且有至少九个参数需要优化，使用复杂且造价高，因此实际中，一般常采用基于多个延迟固定、方位角可变的波片作为偏振控制器来减少插入损耗和生产成本。

对于利用可旋转的波片组合作为偏振控制器的偏振补偿系统，通常采用一次性直接计算出每个波片需要旋转的角度值的方法，虽然控制过程简单，但是依赖于偏振探测器的探测效率以及波片自身提供的参数值，这对于复杂的控制环境不具有很好的自适应能力，一旦偏振探测器的探测效率下降或者波片的参数测量不准确，那么一次性直接计算得到的角度值结果就可能会有很大的偏差，且直接计算得到的结果只有一种，在校正精度不高的情况下，无法继续提高偏振补偿系统的偏振性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其在复杂的控制环境下也具有很强的自适应能力，且校正精度高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其特征在于包括以下步骤：

①在控制单元中，设定三个波片的初始角度值均为0度，设定三个波片可转动到的角度值的范围为-180度～+180度，并令k表示校正次数，k的初始值为1；

②控制单元控制三个电机驱动各自对应的波片转动至初始角度值；

③控制单元随机生成第k次校正时每个波片转动的角度偏移量，将第k次校正时第i个波片转动的角度偏移量记为ΔP_k(i)，其中，1≤i≤3，三个波片各自转动的角度偏移量的幅值相同，而方向存在区别；

⑥控制单元计算第k次校正时每个波片应转动至的角度值，将第k次校正时第i个波片应转动至的角度值记为P_k(i)，P_k(i)＝P_k-1(i)+γ×ΔP_k(i)×(C_1,k-C_2,k)，其中，γ表示增益系数；

⑧控制单元判断C_k的值是否已达到偏振补偿性能指标的理想值，如果已达到，则结束校正过程，确定已完成偏振补偿；如果未达到，则令k＝k+1，然后返回步骤③继续执行，其中，k＝k+1中的“＝”为赋值符号。

所述的步骤③中第k次校正时第i个波片转动的角度偏移量ΔP_k(i)的获取过程为：a、利用随机数生成函数生成一个随机数，记为rnd；b、如果计算-1.0+((rnd&0x01)<<1)得到的值为-1.0，则确定第k次校正时第i个波片转动的转动方向为逆时针方向，并令ΔP_k(i)＝-σ；如果计算-1.0+((rnd&0x01)<<1)得到的值为1.0，则确定第k次校正时第i个波片转动的转动方向为顺时针方向，并令ΔP_k(i)＝+σ；其中，符号“&”为逻辑运算中的“按位与”运算符，0x01表示表示十六进制数01，符号“<<”为逻辑运算中的“左移”运算符，σ表示ΔP_k(i)的幅值。

所述的步骤b中的σ的取值范围为[0.4，0.6]。

所述的步骤b中的σ的取值为0.5。

所述的步骤⑥中增益系数γ的取值范围为[500，700]。

所述的步骤⑥中增益系数γ的取值为600。

所述的步骤⑧中偏振补偿性能指标的理想值根据实际需求确定。

第一块所述的波片和第二块所述的波片均为四分之一波片，第三块所述的波片为二分之一波片，偏振光入射至第一块所述的波片上，依次通过第二块所述的波片和第三块所述的波片后从第三块所述的波片出射。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明方法仅利用三个延迟固定、方位角可变的波片作为偏振控制器，生产成本低。

2)由于外界环境的变化会导致光的偏振态发生改变，而本发明方法可以通过实时侦测偏振探测器探测到的偏振光的功率值，并将其反馈给控制单元，控制单元通过计算波片应转动至的角度值，控制电机驱动波片转动，实现自动控制，操作简单，效率高，且能够实时进行偏振补偿；且波片应转动至的角度值的计算不依赖于偏振探测器的探测效率以及波片自身提供的参数值，使得本发明方法在复杂的控制环境下也具有很强的自适应能力。

3)本发明方法通过计算每次校正后的偏振补偿性能指标，确定是否进行下一次校正，通过多次校正后能够使偏振补偿性能指标达到理想值，校正精度高。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明方法应用的偏振补偿系统的示意图；

图3为本发明方法应用的偏振补偿系统中增益系数相同而角度偏移量的幅值不同时的性能指标变化曲线；

图4为本发明方法应用的偏振补偿系统中角度偏移量的幅值相同而增益系数不同时的性能指标变化曲线；

图5为本发明方法应用的偏振补偿系统对于不同畸变的适应情况。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

①在控制单元中，设定三个波片的初始角度值均为0度，设定三个波片可转动到的角度值的范围为-180度～+180度，并令k表示校正次数，k的初始值为1。

②控制单元控制三个电机驱动各自对应的波片转动至初始角度值。

③控制单元随机生成第k次校正时每个波片转动的角度偏移量，将第k次校正时第i个波片转动的角度偏移量记为ΔP_k(i)，其中，1≤i≤3，三个波片各自转动的角度偏移量的幅值相同，而方向存在区别。

在本实施例中，第k次校正时第i个波片转动的角度偏移量ΔP_k(i)的获取过程为：a、利用现有的随机数生成函数生成一个随机数，记为rnd；b、如果计算-1.0+((rnd&0x01)<<1)得到的值为-1.0，则确定第k次校正时第i个波片转动的转动方向为逆时针方向，并令ΔP_k(i)＝-σ；如果计算-1.0+((rnd&0x01)<<1)得到的值为1.0，则确定第k次校正时第i个波片转动的转动方向为顺时针方向，并令ΔP_k(i)＝+σ；其中，符号“&”为逻辑运算中的“按位与”运算符，0x01表示十六进制数01，符号“<<”为逻辑运算中的“左移”运算符，σ表示ΔP_k(i)的幅值，在本实施例中σ的取值范围为[0.4，0.6]，如可取σ＝0.5。

在本实施例中，每次校正时三个波片各自转动的角度偏移量的幅值相等并且固定为σ＝0.5，但是角度偏移量的方向每次都是随机选择的，通过控制单元随机选择波片转动的角度偏移量的方向，如在C语言程序中，可利用rand()函数得到随机数rnd，并根据-1.0+((rnd&0x01)<<1)的计算结果，判断波片转动的方向：如果得到的值是-1.0，则波片转动方向为逆时针方向，ΔP_k(i)＝-σ；如果是1.0，则波片转动方向为顺时针方向，ΔP_k(i)＝+σ。

⑥控制单元计算第k次校正时每个波片应转动至的角度值，将第k次校正时第i个波片应转动至的角度值记为P_k(i)，P_k(i)＝P_k-1(i)+γ×ΔP_k(i)×(C_1,k-C_2,k)，其中，γ表示增益系数。

在本实施例中，增益系数γ的取值范围可设为[500，700]，如可取γ＝600。

图3给出了对于同一种畸变，固定增益系数γ＝600，取不同的角度偏移量的幅值σ时偏振补偿性能指标变化的曲线图，曲线所标的数据为角度偏移量的幅值。从图3中可以看出，σ从0.3到0.5，偏振补偿性能指标收敛速度有逐步加快的趋势；σ从0.5到0.6，曲线出现了大幅度的抖动，由此看出σ的最佳取值范围为[0.4，0.6]。图4给出了对于同一种畸变，固定角度偏移量的幅值σ＝0.5，取不同的增益系数γ时偏振补偿性能指标变化的曲线图，曲线所标的数据为增益系数。从图4中可以看出，γ从400到600，偏振补偿性能指标收敛速度逐步加快；当γ＝400时，185次校正后偏振补偿性能指标收敛到0.998；当γ＝600时，120次校正后偏振补偿性能指标收敛到0.998；当γ＝700时，虽然校正开始时较γ＝600时偏振补偿性能指标收敛速度加快，但是收敛过程中出现了很不稳定的抖动，由此可以看出增益系数γ的最佳取值范围为[500，700]。本发明考虑收敛速度和平稳性，在具体实施时如可取增益系数γ的值为600，角度偏移量的幅值σ的值为0.5。

在此，偏振补偿性能指标的理想值根据实际需求确定，偏振补偿性能指标的理想值越接近于1，则偏振补偿的效果越好，但三块波片的校正次数比较多，也增加了计算复杂度，在本实施例中取偏振补偿性能指标的理想值为0.998。

为进一步说明本发明方法的可行性和有效性，进行仿真试验。

图5给出了对于不同的畸变，增益系数γ＝600和波片转动的角度偏移量的幅值σ＝0.5时偏振补偿性能指标变化趋势图。利用本发明方法对40种不同的偏振畸变进行校正，从图5中可以看出，40条曲线的偏振补偿性能指标收敛的速度以及抖动大小虽各不相同，但经过一定的校正次数后，偏振补偿性能指标几乎全部可以收敛到1，这充分证明了本发明方法对于偏振的校准能力。

Claims

1.一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其特征在于所述的步骤③中第k次校正时第i个波片转动的角度偏移量ΔP_k(i)的获取过程为：a、利用随机数生成函数生成一个随机数，记为rnd；b、如果计算-1.0+((rnd&0x01)<<1)得到的值为-1.0，则确定第k次校正时第i个波片转动的转动方向为逆时针方向，并令ΔP_k(i)＝-σ；如果计算-1.0+((rnd&0x01)<<1)得到的值为1.0，则确定第k次校正时第i个波片转动的转动方向为顺时针方向，并令ΔP_k(i)＝+σ；其中，符号“&”为逻辑运算中的“按位与”运算符，0x01表示表示十六进制数01，符号“<<”为逻辑运算中的“左移”运算符，σ表示ΔP_k(i)的幅值。

3.根据权利要求2所述的一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其特征在于所述的步骤b中的σ的取值范围为[0.4，0.6]。

4.根据权利要求3所述的一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其特征在于所述的步骤b中的σ的取值为0.5。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其特征在于所述的步骤⑥中增益系数γ的取值范围为[500，700]。

6.根据权利要求5所述的一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其特征在于所述的步骤⑥中增益系数γ的取值为600。

7.根据权利要求6所述的一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其特征在于所述的步骤⑧中偏振补偿性能指标的理想值根据实际需求确定。

8.根据权利要求7所述的一种量子密钥分发中的偏振补偿实现方法，其特征在于第一块所述的波片和第二块所述的波片均为四分之一波片，第三块所述的波片为二分之一波片，偏振光入射至第一块所述的波片上，依次通过第二块所述的波片和第三块所述的波片后从第三块所述的波片出射。