CN106850057A - 一种无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，用于简化连续变量量子密钥分发系统中探测端的物理结构。包括如下步骤：1.偏振变化相关参数测定；2.连续变量量子密钥分发系统探测端数据测量；3.根据偏振变化相关参数进行可信噪声模型修正。本发明通过参数监控以及数据处理的方式，简化了连续变量量子密钥分发探测系统的物理结构，提升了系统的稳定性与可靠性，降低了系统的成本。

Description

一种无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统

技术领域

本发明涉及量子密钥分发系统探测技术，特别涉及基于连续变量量子密钥分发系统探测前的偏振控制，尤其是一种无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统。

背景技术

量子密钥分发是一种具有广阔前景的量子信息技术，基于量子力学的基本原理来保证密钥生成的无条件安全。连续变量量子密钥分发使用相干态和平衡探测，相较于传统的离散变量协议在系统系统可靠性，成本等方面具有显著优势，在实际应用受到广泛关注。连续变量量子密钥分发系统中为了降低信道传输中的相位噪声，采用了本振光和信号光复用同传的方式，为了减少强本振光对量子信号光的影响，采取了偏振复用结合时分复用的方式提升探测端的信噪比。因此，探测端探测前需要对本振光以及信号光进行解复用操作。

有偏振控制的连续变量量子密钥分发系统探测端偏振分束前需要将信道输出光路的偏振态调节到合适的数值，从而减少偏振解复用的噪声。虽然偏振态的变化不会十分迅速，但是在实际的系统不断去进行人工调节是十分困难的。自动偏振控制虽然较好地解决了这一问题，但是基于反馈的补偿环路大大提升了系统的物理结构复杂度(参见专利CN103023569CN 102916807，如图2、3所示)，降低了系统的可靠性，增加了系统的成本。并且受限于探测和补偿器件的精度，仍然会引入一定的噪声，这个噪声的信息并不能被探测端获得，因此只能作为会严重降低系统性能的非可信造神处理，不能保证系统的高效运行。

为了简化系统的物理结构，降低系统的成本，提升系统的可靠性，我们提出了一种无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统。在连续变量量子密钥分发系统中，信道传输中偏振态的改变会导致偏振解复用即偏振分束的两路输出中即存在本振光又存在信号光，由于本振光和信号光在偏振分束之前的偏振态是相互垂直的，通过对本振光的监控就可以得到信号光的功率变化信息。因此，通过对本振光的监控就可以得到偏振态变化对信号光的影响，这个影响可以通过可信噪声模型的修正将它对系统安全性的影响降至一个可以忽略的程度。本发明通过简单的数据监控替换了复杂的偏振补偿结构，提升了系统的稳定性，使系统实用性进一步提升。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对连续变量量子密钥分发系统探测端复杂的偏振补偿结构，本发明提出了一种无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统。通过对探测端信号的监控，获取偏振态变化的相关参数，通过数据处理，可信模型修正，在不降低系统性能的情况下，简化系统探测端的物理结构。

(二)技术方案

本发明提供的一种无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，包括四个步骤：

步骤1：偏振变化相关参数测定；

步骤2：使用本振光与信号光进行探测端的数据测量(零差或外差探测)；

步骤3：根据偏振变化相关参数进行可信噪声模型修正。

上述步骤顺序依次进行。

所述偏振变化相关参数测定是指测定偏振变化引入的损耗，散粒噪声方差，步骤1包括如下步骤：

步骤1a：通过偏振分束器将信道输出光路分为本振光路和信号光路，任选两路获取监控信号，并对监控信号进行探测获取监控数据；

步骤1b：利用监控数据，计算出信号损耗以及散粒噪声方差。

所述步骤1a中获取监控信号的方法为：信道输出光路、本振光路、信号光路选择其中任意两路，分别使用合适比例的分束器提取出一路监控信号。

所述步骤1b中计算信号损耗的方法为：信道输出光路、本振光路、信号光路选择其中任意两路，使用合适比例的分束器提取出一路监控信号。

所述步骤1b中计算信号损耗的方法为：根据监控信号选取的不同，计算方法可以分为以下三种。

使用信道输出光路与本振光路获取监控信号时，损耗计算方法为：

其中，α为信号损耗，P_Lo为本振光路监控信号功率，P_In为输入监控信号功率，T₁为信道输出光路分束器透射率，T₂为本振光路分束器透射率。

使用信道输出光路与信号光路获取监控信号时，损耗计算方法为：

其中，α为信号损耗，P_S为信号光路监控信号功率，P_In为输入监控信号功率，T₁为信道输出光路分束器透射率，T₃为信号光路分束器透射率。

使用本振信号路与信号光路获取监控信号时，损耗计算方法为：

其中，α为信号损耗，P_Lo为本振光路监控信号功率，P_S为信号光路监控信号功率，T₂为本振光路分束器透射率，T₃为信号光路分束器透射率。

所述步骤1b中计算散粒噪声方差的方法为：根据监控信号选取的不同，计算方法可以分为两种：当监控信号包含本振光路时，平衡探测本振光功率为P_LoT₂/(1-T₂)；当监控信号不包含本振光路时，平衡探测本振光功率为P_SαT₂/[T₃(1-α)]，利用本振光功率与散粒噪声方差的对应关系确定当前条件下的散粒噪声方差。

所述步骤2中探测端数据测量的方法为：本发明适用于所有连续变量量子密钥分发系统探测结构，并不局限于零差探测(homodyne detection)或外差探测(heterodynedetection)。使用本振光和信号光进行探测后，获得密钥原始数据。

所述步骤3中对根据测量参数进行可信噪声模型修正的方法为：

步骤3a：使用步骤1获得监控结果以及计算结果进行可信噪声模型修正；

步骤3b：通过步骤1获得的散粒噪声方差对步骤2获得的原始密钥数据归一化，使用修正后的可信噪声模型进行参数估计，计算可提取出的安全密钥数值。

所述步骤3a中对可信噪声模型修正的方法为：在传统连续变量量子密钥分发探测系统中，可信衰减和可信噪声为探测器效率η和探测器电噪声v_el。根据监控信号选取的不同，可信噪声模型修正方法可以分为以下两种。

监控信号中包含本振光路时，系统的可信衰减和可信噪声为：

η′＝ηα

N_t＝v_el/α+2P_Loη_pT₃(1-α)/[αhv(1-T₂)]

监控信号中不包含本振光路时，系统的可信衰减和可信噪声为：

η′＝ηα

N_t＝v_el/α+2P_Sη_pT₃/[(1-T₃)hv]

其中，η为探测器效率，η′为可信衰减，v_el为探测器电噪声，N_t为系统的可信噪声，η_p为本振光的脉冲消光比，h为普朗克常数，v为光信号频率。

(三)有益效果

本发明省去了连续变量量子密钥分发系统探测端的偏振补偿结构，提升了系统的可靠性，降低系统的成本。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为第一种有偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测端的结构框图；

图3为第二种有偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测端的结构框图。

具体实施方式

本发明通过对探测端信号的检测获取偏振变化的参数，进而通过相应的参数计算修正可信噪声模型，简化系统探测端的物理结构，具体实施方式如下：

1.选用10/90的分束器将信道输出光路分为两路，10％功率的一路作为监控信号，90％的一路输入偏振分束器后分为本振光路和信号光路。选用10/90的分束器将本振光路信号分为两路，90％功率的一路作为本振光信号输出，10％的一路作为监控信号。测量信道输入监控信号和本振光监控信号，分别获得信道输入监控信号功率P_In和本振光监控信号功率P_Lo。

2.选取信道输出光路和本振光路进行监控时，信号损耗的计算方法为：

其中，α为信号损耗，P_Lo为本振光路监控信号功率，P_In为输入监控信号功率，T₁为信道输出光路分束器透射率，T₂为本振光路分束器透射率。可得α＝P_Lo/P_In。并且可以求得此时的本振光功率为9P_Lo，利用本振光功率与散粒噪声方法的关系求得散粒噪声方差为N₀。

3.使用本振光与信号光进行零差探测，获得原始密钥数据。

4.对传统连续变量量子密钥分发探测系统中的可信衰减和可信噪声为探测器效率η和探测器电噪声v_el进行可信噪声模型修正：

η′＝ηα

N_t＝v_el/α+18P_Loη_p(1-α)/(αhv)

其中，η为探测器效率，η′为可信衰减，v_el为探测器电噪声，N_t为系统的可信噪声，η_p为本振光的脉冲消光比，h为普朗克常数，v为光信号频率。

5.使用散粒噪声方差N₀对原始密钥数据归一化，使用修正后的可信噪声模型进行参数估计，计算可提取出的安全密钥数值。

相较于有偏振控制的连续变量量子密钥分发探测系统，如图2、3所示，本发明的探测端系统简化了复杂的反馈环路，以及技术复杂且稳定性的偏振控制器，通过并不复杂的计算大幅简化了系统探测端的物理结构。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，其特征在于，包括：

步骤1：偏振变化相关参数测定；

步骤2：使用本振光与信号光进行探测端的数据测量(零差或外差探测)；

步骤3：根据偏振变化相关参数进行可信噪声模型修正。

上述步骤顺序依次进行。

2.根据权利要求1所述的无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1a：通过偏振分束器将信道输出光路分为本振光路和信号光路，任选两路获取监控信号，并对监控信号进行探测获取监控数据；

步骤1b：利用监控数据，计算出信号损耗以及散粒噪声方差。

3.根据权利要求1所述的无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，所述步骤1a中获取监控信号的方法为：信道输出光路、本振光路、信号光路选择其中任意两路，分别使用合适比例的分束器提取出一路监控信号。

4.根据权利要求1所述的无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，所述步骤1a中对监控信号进行探测，需要获取的监控数据为光脉冲信号的功率数据。

5.根据权利要求1所述的无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，所述步骤1b中计算损耗的方法为：根据监控信号选取的不同，计算方法可以分为以下三种。

使用信道输出光路与本振光路获取监控信号时，损耗计算方法为：

$\mathrm{\α}=\frac{P_{Lo}{T}_2(1-T_1)}{P_{In}{T}_1(1-T_2)}$

其中，α为信号损耗，P_Lo为本振光路监控信号功率，P_In为输入监控信号功率，T₁为信道输出光路分束器透射率，T₂为本振光路分束器透射率。

使用信道输出光路与信号光路获取监控信号时，损耗计算方法为：

$\mathrm{\α}=1-\frac{P_S{T}_3(1-T_1)}{P_{In}{T}_1(1-T_3)}$

其中，α为信号损耗，P_S为信号光路监控信号功率，P_In为输入监控信号功率，T₁为信道输出光路分束器透射率，T₃为信号光路分束器透射率。

使用本振信号路与信号光路获取监控信号时，损耗计算方法为：

$\mathrm{\α}=\frac{P_{Lo}{T}_2(1-T_3)}{P_{Lo}{T}_2(1-T_3)+P_S{T}_3(1-T_2)}$

其中，α为信号损耗，P_Lo为本振光路监控信号功率，P_S为信号光路监控信号功率，T₂为本振光路分束器透射率，T₃为信号光路分束器透射率。

6.根据权利要求1所述的无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，所述步骤1b中计算散粒噪声方差的方法为：根据监控信号选取的不同，计算方法可以分为两种：当监控信号包含本振光路时，平衡探测本振光功率为P_LoT₂/(1-T₂)；当监控信号不包含本振光路时，平衡探测本振光功率为P_SαT₂/[T₃(1-α)]，利用本振光功率与散粒噪声方差的对应关系确定当前条件下的散粒噪声方差。

7.根据权利要求1所述的无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，其特征在于，所述步骤2中探测端数据测量的方法为：本发对连续变量量子密钥分发系统探测结构具有普适性，并不局限于零差探测(homodyne detection)或外差探测(heterodynedetection)。使用本振光和信号光进行探测后，获得密钥原始数据，通过步骤1获得的散粒噪声方差归一化，用于后处理提取安全密钥。

8.根据权利要求1所述的无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3a：使用步骤1获得监控结果以及计算结果进行可信噪声模型修正；

步骤3b：通过步骤1获得的散粒噪声方差对步骤2获得的原始密钥数据归一化，使用修正后的可信噪声模型进行参数估计，计算可提取出的安全密钥数值。

9.根据权利要求1所述的无需偏振控制器的连续变量量子密钥分发探测系统，所述步骤3a中对可信噪声模型修正的方法为：在传统连续变量量子密钥分发探测系统中，可信衰减和可信噪声为探测器效率η和探测器电噪声v_el。根据监控信号选取的不同，可信噪声模型修正方法可以分为以下两种。

监控信号中包含本振光路时，系统的可信衰减和可信噪声为：

η′＝ηα

N_t＝v_el/α+2P_Loη_pT₃(1-α)/[αhv(1-T₂)]

监控信号中不包含本振光路时，系统的可信衰减和可信噪声为：

η′＝ηα

N_t＝v_el/α+2P_Sη_pT₃/[(1-T₃)hv]

其中，η为探测器效率，η′为可信衰减，v_el为探测器电噪声，N_t为系统的可信噪声，η_p为本振光的脉冲消光比，h为普朗克常数，v为光信号频率。