CN108540285B - 一种连续变量量子密钥分发后处理零差探测相位补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种连续变量量子密钥分发后处理零差探测相位补偿方法。本方法为：1)接收端Bob接收发送方Alice制备的量子态，并对通过零差探测所得到的数据按照设定比例进行分块，得到相位补偿数据与待补偿数据间隔分布的数据；2)Bob将相位补偿数据发送给Alice；3)Alice根据相邻两相位补偿数据与Alice在进行量子态制备时记录下来的对应发送数据，计算相邻两相位补偿数据的相位漂移；4)Alice根据相邻两相位补偿数据的相位漂移计算量子态制备时记录下来的该相邻两相位补偿数据所对应发送数据之间的待补偿数据D的相位漂移
Figure DDA0001682727390000011
5)Alice根据
Figure DDA0001682727390000012
对待补偿数据D进行相位旋转，得到相位补偿后的数据。

Description

一种连续变量量子密钥分发后处理零差探测相位补偿方法
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及连续变量量子密钥分发系统中一种利用后处理进行零差探测相位补偿的方法。
背景技术
经过长距离的信道传输，尤其是在变化性更强的大气空间信道中，信号光的相位会发生一定的漂移。要想得到低噪声的探测结果，就需要对信号的相位进行补偿。在基于光纤的连续变量量子密钥分发系统中，实时相位补偿通常通过测量相位参考信号，输出反馈电压到接收端本振光路上的相位调制器来实现。而在大气信道中，复杂多变的环境可能导致相位的变化更加复杂。
传统的利用电学方法进行相位补偿的方式，一方面该方式精度受限于数字、模拟电路等电路的精度，其补偿精度被限制。另一方面补偿过程会引入额外的电噪声。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种利用后处理进行相位补偿的方法，其适用于连续变量量子密钥分发系统的零差探测方案。
为了提高相位补偿的精度，同时降低接收端物理实现系统的复杂度，本发明采用在系统的后处理中实现相位补偿。同时，由于实际通信环境往往是非常复杂的，因此后处理过程具有灵活、可以适应各种外界环境而不用做出很大调整的数据结构是很重要的。
本发明的方法由于是在数据上进行处理，因此可以很好的避免上述问题带来的限制，能够提高相位补偿的精度，同时降低接收端物理实现系统的复杂度。此外，由于本发明方法补偿数据比例可以根据相位漂移速率做出具体调整，而不用根据不同的实验环境而改变整体数据结构格式，因此结构灵活、可移植性强。
针对上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种利用后处理进行零差探测相位补偿的方法，适用于连续变量量子密钥分发系统中，其步骤包括：
1)将通信方Bob通过零差探测的数据为连续变量量子密钥分发系统中，通信方Alice制备的量子态在量子信道中传输给接收端Bob的数据按照一定比例进行分块，常用数据的分块比例为相位补偿数据与待补偿数据1:9分块；其中分块后的数据按相位补偿数据与待补偿数据间隔分布，且每一块数据的相位漂移恒定不变；此外，也可以根据不同的具体环境测试(系统的相位漂移速率需要根据具体实验环境来确定)，选取不同比例的数据作为相位补偿数据，从而最优化相位补偿的效果。按照其他不同比例分块是为了让相位补偿效果在不同条件下达到最佳，其具体确定分块比例的方法是多次选取不同分块比例计算相位漂移量，取计算出的相位漂移量与实际测量相位漂移值最接近的分块比例作为实际实验使用的分块比例。
2)Bob将上述相位补偿数据发送给Alice；
3)Alice根据上述相位补偿数据与手中的数据计算相邻两次相位补偿数据的相位漂移；
4)Alice根据上述相邻两次相位补偿数据的相位漂移计算该相邻两相位补偿数据所对应发送数据之间的待补偿数据的相位漂移；
5)Alice根据上述待补偿数据的相位漂移对所述待补偿数据进行相位旋转，得到相位补偿后的数据。
进一步地，步骤1)中所述Bob从零差探测所得到的数据是指Bob随机选取测量的X分量(正则坐标)数据或P分量(正则动量)数据。本发明后续假设Bob选取测量的是X分量，记为XB；由于零差探测中数据X与数据P偏转相同的相位(即需要补偿相同的相位)，所以这一假设并不影响后续分析。
进一步地，步骤3)中所述手中的数据是指Alice在连续变量量子密钥分发系统制备量子态中进行量子态制备时记录下来的数据信息。所述数据信息为连续变量量子密钥分发系统所产生的所有密钥数据，步骤1)中Bob从探测到的密钥数据中选取一部分作为相位补偿数据。
进一步地，若假设步骤3)中所述相邻两次相位补偿数据的相位漂移分别为
Figure BDA0001682727370000021
则步骤4)中该两次计算结果之间的待补偿数据的相位漂移为
Figure BDA0001682727370000022
进一步地，步骤3)中每个相位补偿数据的相位漂移的计算方法包括以下步骤：
3-1)Alice分别计算上述相位补偿数据XB与手中的数据XA和PA的协方差，得到cov(XA,XB)和cov(PA,XB)；
3-2)根据上述计算得到的cov(XA,XB)和cov(PA,XB)计算所述相位补偿数据的相位漂移
Figure BDA0001682727370000023
更进一步地，步骤3-1)中所述cov(XA,XB)和cov(PA,XB)的计算公式为：
Figure BDA0001682727370000024
Figure BDA0001682727370000025
其中
Figure BDA0001682727370000031
为相位补偿数据的相位漂移，t表示在信号传输过程中因为噪声等因素所引入的比例系数，VA表示Alice端调制数据的方差。
更进一步地，步骤3-2)中所述相位补偿数据的相位漂移
Figure BDA0001682727370000032
的计算公式为：
Figure BDA0001682727370000033
其中cov(XA,XB)为相位补偿数据XB与手中的数据XA的协方差，cov(PA,XB)为相位补偿数据XB与手中的数据PA的协方差。
进一步地，步骤5)中所述待补偿数据X、P进行如下计算以进行相位旋转，得到相位补偿后的数据X′和P′；
Figure BDA0001682727370000034
Figure BDA0001682727370000035
其中
Figure BDA0001682727370000036
为所述相邻两次相位补偿数据之间的待补偿数据的相位漂移。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种利用后处理方式进行零差探测相位补偿的方法，该方法适用于连续变量量子密钥分发系统中。该方法通过在连续变量量子密钥分发系统的后处理中实现相位补偿，降低了接收端的物理实现系统的复杂度；提高了相位补偿的灵活性和可移植性；同时由于该方法通过数据处理的方式进行相位补偿，与之前通过电路的方式相比，提高了相位补偿的精度。
附图说明
图1为本发明相位补偿数据与待补偿数据的位置关系图。
图2为本发明提供的一种利用后处理进行零差探测相位补偿的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
在连续变量量子密钥分发系统中，假设Alice加载在两个正则分量上的高斯调制数据为(XA,PA)，Alice将制备的量子态在量子信道中传输给接收端Bob。Bob接收到量子态之后，对量子态进行探测，并得到接收的高斯调制数据，其中零差探测是其常用的探测方法之一。本发明在零差探测的方法中，假设Bob端探测到的数据为XB或PB，由于量子态经过量子信道时难免会引入噪声和相位漂移，而且进行零差探测时只需要使用一个零差探测器，因此认为接收端对于XB和PB的相位漂移是一致的，于是(XA,PA)与(XB,PB)之间存在如公式(1)所示关系。
Figure BDA0001682727370000041
Figure BDA0001682727370000042
其中，
Figure BDA0001682727370000043
为相位漂移，ξ和ξ′为噪声，t表示在信号传输过程中因为噪声等因素所引入的比例系数。本发明中发送端Alice需要将手中的数据旋转相位
Figure BDA0001682727370000044
使相位漂移为0。由于相位漂移的速度对数据传输速率是一个慢变过程，因此可以认为在较短的时间内数据的相位漂移为一个定值，从而可以将数据进行分块，对于每一块数据分别进行相位补偿，这时认为在每一块数据中的相位漂移是恒定不变的。请参考图1，对于通过零差探测得到的数据，Bob按照一定的比例选择一部分数据用来相位补偿，称为相位补偿数据。而其余的数据保留，作为待补偿数据。假设Bob测量的都是X分量，结果为
Figure BDA0001682727370000045
(对于P分量的计算，其过程相同)。由于XA，PA，ξ之间相互独立，因此这部分数据与相应的
Figure BDA0001682727370000046
和
Figure BDA0001682727370000047
求协方差分别得到cov(XA,XB)和cov(PA,XB)，如公式(2)所示。并且可以计算得到Alice端待补偿的相位
Figure BDA0001682727370000048
的正切值，如公式(3)所示。
Figure BDA0001682727370000049
Figure BDA00016827273700000410
Figure BDA00016827273700000411
根据上述公式(2)和(3)以及
Figure BDA00016827273700000412
和
Figure BDA00016827273700000413
的正负关系，就可以计算出相位漂移
Figure BDA00016827273700000414
令相邻两次相位补偿数据的相位漂移计算结果分别为
Figure BDA00016827273700000415
对于线性电路，可以将相位漂移过程按照简单的线性理解，则可以得到两次计算结果之间的待补偿数据的相位漂移
Figure BDA00016827273700000416
P分量相位漂移的计算方法同理。
下面举一具体实施例来解释说明本发明，请参考图2，该实施例的方法步骤包括：
1)Bob对通过零差探测得到的数据按照一定的比例选取用作相位补偿的数据，并将这些相位补偿数据XB发送给Alice。例如每5000个数据选取500个作为相位补偿数据。
2)Alice分别计算上述相位补偿数据XB与手中数据XA的协方差cov(XA,XB)、补偿数据XB与手中数据PA的协方差cov(PA,XB)。并根据协方差cov(XA,XB)和cov(PA,XB)以及上述公式(3)，利用反三角函数以及
Figure BDA0001682727370000051
和
Figure BDA0001682727370000052
的正负关系计算相位补偿数据的相位漂移
Figure BDA0001682727370000053
3)令相邻两次相位补偿数据的相位漂移计算结果分别为
Figure BDA0001682727370000054
则该相邻两相位补偿数据所对应发送数据之间的待补偿数据的相位漂移为
Figure BDA0001682727370000055
4)Alice对相邻两次计算结果之间的待补偿数据X、P进行如下公式(4)、(5)所示计算，进行相位旋转以得到相位补偿后的数据X′和P′，并将所述X′和P′存为Alice的数据用作参数估计和后续后处理的数据。
Figure BDA0001682727370000056
Figure BDA0001682727370000057
以上实施仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (6)

1.一种连续变量量子密钥分发后处理零差探测相位补偿方法，其步骤为：
1)接收端Bob接收发送方Alice制备的量子态，并通过零差探测对接收到的所述量子态进行探测，然后接收端Bob将通过零差探测所得到的数据按照设定比例进行分块，得到相位补偿数据与待补偿数据间隔分布的数据；
2)Bob将各所述相位补偿数据发送给Alice；
3)Alice根据第i个所述相位补偿数据与Alice在进行量子态制备时记录下来的对应发送数据，计算第i个所述相位补偿数据的相位漂移
Figure FDA0002585514480000011
Alice根据第i+1个所述相位补偿数据与Alice在进行量子态制备时记录下来的对应发送数据，计算第i+1个所述相位补偿数据的相位漂移
Figure FDA0002585514480000012
其中计算所述相位漂移
Figure FDA0002585514480000013
的方法为：设Bob通过零差探测所得到的数据为X分量数据，Alice第i次收到的所述相位补偿数据，记为XB；Alice计算XB与XA的协方差cov(XA,XB)和XB与PA的协方差cov(PA,XB)，其中，XA为Alice在进行量子态制备时记录下来的与XB对应的发送数据中的X分量数据，PA为Alice在进行量子态制备时记录下来的与XB对应的发送数据中的P分量数据；然后根据公式
Figure FDA0002585514480000014
计算所述相位漂移
Figure FDA0002585514480000015
4)Alice根据相邻两相位补偿数据的相位漂移
Figure FDA0002585514480000016
和
Figure FDA0002585514480000017
计算Alice进行量子态制备时记录下来的该相邻两相位补偿数据所对应发送数据之间的待补偿数据D的相位漂移
Figure FDA0002585514480000018
所述
Figure FDA0002585514480000019
5)Alice根据相位漂移
Figure FDA00025855144800000112
对所述待补偿数据D进行相位旋转，得到相位补偿后的数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在两个正则分量上加载高斯调制数据制备所述量子态；通过零差探测所得到的数据为X分量数据或P分量数据。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中，利用公式
Figure FDA00025855144800000110
对所述待补偿数据D中的X分量数据进行相位旋转，得到相位补偿后的数据X′；利用公式
Figure FDA00025855144800000111
对所述待补偿数据D中的P分量数据进行相位旋转，得到相位补偿后的数据P′。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述设定比例的方法为：多次选取不同分块比例计算相位漂移量，取计算出的相位漂移量与实际测量相位漂移值最接近的分块比例作为所述设定比例。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述设定比例为1:9，即步骤1)中相位补偿数据与待补偿数据的比例为1:9。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，Alice将制备的量子态在量子信道中传输给接收端Bob。
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