CN106254071B - 一种量子密钥分发的实时相位补偿系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种量子密钥分发的实时相位补偿方法，包括以下步骤：S1、初始化量子密钥分发基本传输参数和偏置电压；S2、估计当前量子密钥误码率；S3、判断当前量子密钥误码率是否超过上限；S4、如果没有，则估计下一个量子密钥误码率，执行步骤S3；S5、如果有，则在偏置电压上加扰，得到误码率的变化量；S6、根据加扰前的量子密钥误码率和变化量估计加扰后的量子密钥误码率，并且根据扰动量和变化量估计梯度；S7、根据梯度优化当前偏置电压，执行步骤S2。提供一种量子密钥分发的实时相位补偿系统，包括量子密钥误码率实时估计模块、偏置电压输出模块及控制算法模块。本发明克服了传统相位补偿方法补偿速度慢且需中断量子密钥分发过程的缺点。

Description

一种量子密钥分发的实时相位补偿系统和方法

技术领域

本发明属于量子信息技术领域，具体涉及一种量子密钥分发的实时相位补偿系统和方法。

背景技术

量子密钥分发可以保证无条件安全的信息传输，因而是量子信息技术领域研究的重点。它的编码方式主要有相位编码和偏振编码两种。在偏振编码光纤传输的量子密钥分发中，由于受到光纤双折射效应的影响，光的偏振会发生随机变化。此时，接收方如果按照约定的偏振方向进行测量就很可能产生错误的探测结果。与偏振相比，光的相对相位在光纤传输过程则表现得非常稳定。因此，相位编码方式是光纤量子密钥分发系统的主要编码方式。

在相位编码量子密钥分发过程中，光脉冲通过收发双方的不等臂干涉环后会被分为4个小脉冲，其中2个脉冲在时间上是重叠的，它们之间的相位差决定了最后的干涉结果。收发双方各自随机地从0，π/2，π和3π/2中选择一个相位施加到这两个干涉脉冲之间，从而可以共同决定最终的干涉结果。其中，{0、π}和{π/2、3π/2}为两组不同的基矢，并且0和π/2被编码为经典比特0，其余相位被编码为经典比特1。收发双方在测量结果出来之后可公布他们各自所选择的基矢，而后只保留基矢相同的测量结果，这一过程被称为“对基”，对基后剩余的密钥称为“筛后密钥”。由于量子力学的限制，加上收发双方仅公布基矢信息，窃听者无法得知收发双方共享的经典比特。

然而，收发双方各自的不等臂干涉环所处环境存在温度的变化、机械振动等，使得收发双方的干涉环的臂长差发生随机变化，这将导致两个干涉脉冲之间的相位差随时间随机的缓慢漂移，最终导致不稳定的干涉结果。为此，相位编码量子密钥分发系统必须具备相位补偿能力。传统的相位补偿主要采用粗略相位扫描和精细相位扫描结合的方法，这种方式存在如下问题：(a)相位扫描过程不能和量子密钥分发过程并行进行，因而扫描过程运行时必须中断量子密钥分发；(b)扫描步数相对较长，将占用部分系统时间开销。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种量子密钥分发的实时相位补偿系统和方法，该量子密钥分发的实时相位补偿系统和方法可以很好地解决现有技术中测试系统昂贵、求解耗时、模型精度不高的问题。

为达到上述要求，本发明采用闭环反馈控制对相位漂移进行动态补偿。闭环反馈控制包含三个主要部分：反馈信号、控制变量及控制算法。

反馈信号来自量子密钥分发过程中实时估计的误码率。相位漂移与两个干涉脉冲的条纹可见度V直接相关，而(1-V)/2正好是量子密钥分发的光学本底误码，该误码不仅是误码率的主要部分，也是引起误码率发生变化的主要因素。因此，实时估计的误码率可以间接地准确地反应相位漂移，将误码率作为闭环反馈信号。

控制变量来自于接收方相位调制器的偏置电压。假设收发双方的调相值分别是和而干涉环漂移和偏置电压对应的相位分别是和那么干涉脉冲的相对相位可表示为为了保证干涉结果不受随机漂移的影响，只有不断地调整偏置电压以改变

控制算法采用梯度算法。由于偏置电压和量子密钥误码率之间是正弦函数关系，因而采用局域收敛速度较快的梯度算法可以非常迅速地降低误码率。

基于上述闭环反馈控制思路，本发明提供一种量子密钥分发的实时相位补偿方法，包括以下步骤：

S1、初始化量子密钥分发基本传输参数和偏置电压；

S2、估计当前量子密钥误码率；

S3、判断当前量子密钥误码率是否超过设定的上限；

S4、如果没有超过，则估计下一个量子密钥误码率，执行步骤S3；

S5、如果超过，则在偏置电压上附加一个扰动量，所述扰动量输出至光相位调制器后引起当前量子密钥误码率的变化，得到量子密钥误码率的变化量；

S6、根据附加扰动量前的量子密钥误码率和所述变化量估计附加扰动量后的量子密钥误码率，并且根据扰动量和所述变化量估计梯度；

S7、根据所述梯度优化当前偏置电压，执行步骤S2。

提供一种量子密钥分发的实时相位补偿系统，包括：

量子密钥误码率实时估计模块，完成量子密钥误码率的实时估计；

偏置电压输出模块，完成偏置电压的输出与保持；

控制算法模块，根据实时估计的量子密钥误码率动态优化偏置电压，从而降低量子密钥误码率；该模块的控制算法基于梯度算法。

与现有技术相比，该量子密钥分发的实时相位补偿系统和方法具有的优点如下：

(1)利用了量子密钥分发过程需要实时估计误码率的特点，再结合梯度控制算法，实现了实时的相位补偿，并且相位补偿与量子密钥分发并行进行，因此相位补偿不会占用量子密钥分发的时间，进而可以提高安全密钥的产出；

(2)控制结构简单，降低了整个量子密钥分发系统的复杂程度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明系统的框架示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

本发明提供一种量子密钥分发的实时相位补偿方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、初始化量子密钥分发基本传输参数和偏置电压；

S2、估计当前量子密钥误码率；

该步骤具体包括：

S21、当量子信号态产生测量结果时，接收方存储测量结果对应的时间信息、第一基矢信息以及第一经典比特，并将时间信息和第一基矢信息传送给发送方；

S22、发送方按照接收到的时间信息找到自身的第二基矢信息，并与接收到的第一基矢信息对比，判断第一基矢信息与第二基矢信息是否相同；

S23、如果不同，则发送方不做后续处理；

S24、如果相同，则以第一概率将时间信息、第二基矢信息和第二经典比特传送给接收方；以第二概率将时间信息和第二基矢信息传送给接收方，而将第二经典比特保存在本地，以备后续的后处理过程；所述第一概率与第二概率的和为1；

S25、接收方根据发送方发回的时间信息找到自身的第一经典比特，判断发送方是否附带了第二经典比特；

S26、如果没有附带，则接收方将第一经典比特保存在本地，以备后续的后处理过程；

S27、如果附带，则接收方将第一经典比特与第二经典比特进行对比；

S28、每隔一段时间统计第一经典比特与第二经典比特不相同的情况所占的比例，得到量子密钥误码率。

真实的误码率只能通过公布部分筛后密钥来估计，公布的比例通常是10％～20％。目前，1GHz量子分发系统经过50Km的光纤传输仍然可以获得1Mbit/s的安全密钥生成速率。安全密钥是从筛后密钥中提取出来的，因而筛后密钥的生成速率通常是安全密钥生成速率的数倍。这里以0.1Mbit/s的筛后密钥生成速率为例，系统每0.1秒就可以公布1～2Kbit筛后密钥用于实时准确地估计误码率。这意味着，控制系统每0.1s就可以生成一个反馈信号。

S3、判断当前量子密钥误码率是否超过设定的上限；一般而言，误码率上限的设定需要考虑量子密钥分发正常运行时的误码率，过高则会降低安全密钥生成速率，过低则梯度算法可能长时间无法将误码率降低至上限以下；

S4、如果没有超过，且量子密钥分发未结束，则估计下一个量子密钥误码率，执行步骤S3；

S5、如果超过，则在偏置电压上附加一个扰动量，所述扰动量输出至光相位调制器后引起当前量子密钥误码率的变化，得到量子密钥误码率的变化量；

S6、根据附加扰动量前的量子密钥误码率和所述变化量估计附加扰动量后的量子密钥误码率，并且根据扰动量和所述变化量估计梯度；

S7、根据所述梯度优化当前偏置电压，执行步骤S2。

该步骤具体为：令当前偏置电压减去一个与所述梯度成比例的数值，得到优化的偏置电压，执行步骤S2；所述比例系数为负数。优化的偏置电压如果超出实际可输出电压范围，则立即将偏置电压重置到实际可输出电压范围内，而后执行步骤S2。

上述步骤S5-S7属于梯度算法。在传统相位补偿方法中，粗略的逐点相位扫描结合精细的逐点相位扫描需要数十步，甚至上百步。而在不考虑其他噪声的情况下，梯度算法平均仅需迭代十几步就能将误码率从50％迅速降低至1％以下。实时跟踪误码率的缓慢变化时，算法所需迭代次数还将显著降低。如前所述，每个估计的误码率的生成时间可保守地定为0.1s，相比之下，偏置电压的响应时间完全可以忽略不计。这样，控制算法每1s就可以完成10次迭代。而通常相位漂移是相对缓慢的，漂移时间都在分钟甚至小时量级。这意味着控制算法完全可以实现实时补偿相位漂移，即无需中断量子密钥分发过程。

一种量子密钥分发的实时相位补偿系统，如图2所示，包括以下三个模块：

量子密钥误码率实时估计模块，完成量子密钥误码率的实时估计；

该模块包括以下两个单元：

信息交互单元，完成接收方和发送方基矢信息以及经典比特的交互；

误码率分析单元，统计接收方和发送方经典比特不相同的情况所占的比例，估计量子密钥误码率。

偏置电压输出模块，完成偏置电压的输出与保持；

该模块包括：

数字信号输出单元，完成数字信号的输出，该单元包括多个数字I/O口，且每个数字I/O口拥有不同的权重，以配合数模转换；

数模转换单元，将多路数字I/O信号转换成模拟电压信号；

信号放大单元，将模拟电压信号放大得到偏置电压，并将偏置电压输出至光相位调制器；

光相位调制器，将偏置电压转换为对光相位的调制。

控制算法模块，根据实时估计的量子密钥误码率动态优化偏置电压，从而降低量子密钥误码率；该模块的控制算法基于梯度算法；

该模块包括以下五个单元：

初始化单元，完成量子密钥分发基本传输参数以及偏置电压的初始化；

误码率判断单元，用于判断量子密钥误码率是否超过设定的上限；

偏置电压加扰单元，向偏置电压附加一个微小的扰动量，并输出至光相位调制器；

梯度估计单元，用于根据偏置电压附加的扰动量和附加扰动量后引起的变化量估计梯度；

偏置电压优化单元，根据梯度估计单元得到的梯度优化偏置电压，并将优化后的偏置电压输出至光相位调制器。

以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

Claims (7)

1.一种量子密钥分发的实时相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、初始化量子密钥分发基本传输参数和偏置电压；

S2、估计当前量子密钥误码率；

S3、判断当前量子密钥误码率是否超过设定的上限；

S4、如果没有超过，则估计下一个量子密钥误码率，执行步骤S3；

S5、如果超过，则在偏置电压上附加一个扰动量，所述扰动量输出至光相位调制器后引起当前量子密钥误码率的变化，得到量子密钥误码率的变化量；

S6、根据附加扰动量前的量子密钥误码率和所述变化量估计附加扰动量后的量子密钥误码率，并且根据扰动量和所述变化量估计梯度；

S7、根据所述梯度优化当前偏置电压，执行步骤S2；具体优化过程为：所述当前偏置电压减去一个与所述梯度成比例的数值，得到优化的偏置电压，执行步骤S2，且比例系数为负数，所述优化的偏置电压如果超出实际可输出电压范围，则立即将偏置电压重置到实际可输出电压范围内，而后执行步骤S2。

2.根据权利要求1所述的量子密钥分发的实时相位补偿方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、当量子信号态产生测量结果时，接收方存储测量结果对应的时间信息、第一基矢信息以及第一经典比特，并将时间信息和第一基矢信息传送给发送方；

S22、发送方按照接收到的时间信息找到自身的第二基矢信息，并与接收到的第一基矢信息对比，判断第一基矢信息与第二基矢信息是否相同；

S23、如果不同，则发送方不做后续处理；

S24、如果相同，则以第一概率将时间信息、第二基矢信息和第二经典比特传送给接收方；以第二概率将时间信息和第二基矢信息传送给接收方，而将第二经典比特保存在本地；所述第一概率与第二概率的和为1；

S25、接收方根据发送方发回的时间信息找到自身的第一经典比特，判断发送方是否附带了第二经典比特；

S26、如果没有附带，则接收方将第一经典比特保存在本地；

S27、如果附带，则接收方将第一经典比特与第二经典比特进行对比；

S28、每隔一段时间统计第一经典比特与第二经典比特不相同的情况所占的比例，得到量子密钥误码率。

3.一种量子密钥分发的实时相位补偿系统，其特征在于，包括：

量子密钥误码率实时估计模块，完成量子密钥误码率的实时估计；

偏置电压输出模块，完成偏置电压的输出与保持；

控制算法模块，根据实时估计的量子密钥误码率动态优化偏置电压，从而降低量子密钥误码率；

偏置电压加扰单元，向偏置电压附加一个微小的扰动量，并输出至光相位调制器；

梯度估计单元，用于根据偏置电压附加的扰动量和附加扰动量后引起的变化量估计梯度；

偏置电压优化单元，根据梯度估计单元得到的梯度优化当前偏置电压，并将优化后的偏置电压输出至光相位调制器；所述当前偏置电压减去一个与所述梯度成比例的数值，得到优化的偏置电压；所述优化的偏置电压如果超出实际可输出电压范围，则立即将偏置电压重置到实际可输出电压范围内。

4.根据权利要求3所述的量子密钥分发的实时相位补偿系统，其特征在于，所述量子密钥误码率实时估计模块包括：

信息交互单元，完成接收方和发送方基矢信息以及经典比特的交互；

误码率分析单元，统计接收方和发送方经典比特不相同的情况所占的比例，估计量子密钥误码率。

5.根据权利要求3所述的量子密钥分发的实时相位补偿系统，其特征在于，所述偏置电压输出模块包括：

数字信号输出单元，完成数字信号的输出；

数模转换单元，将所述数字信号转换成模拟电压信号；

信号放大单元，将所述模拟电压信号放大得到偏置电压，并将所述偏置电压输出至光相位调制器；

光相位调制器，将所述偏置电压转换为对光相位的调制。

6.根据权利要求5所述的量子密钥分发的实时相位补偿系统，其特征在于，所述数字信号输出单元包括多个数字I/O口，且每个数字I/O口拥有不同的权重。

7.根据权利要求3所述的量子密钥分发的实时相位补偿系统，其特征在于，所述控制算法模块包括：

初始化单元，完成量子密钥分发基本传输参数以及偏置电压的初始化；

误码率判断单元，用于判断量子密钥误码率是否超过设定的上限。