CN114337846A - 基于光子偏振预畸变的量子通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子偏振预畸变的量子通信方法，包括发送方发送水平线偏振光H、垂直线偏振光V、45°线偏振光P和右旋圆偏振光R的训练序列；接收方通过检测各偏振光对应的偏振态，求出量子信道对于偏振光序列的影响，即偏振光序列通过信道后的退偏情况，该退偏情况使用穆勒矩阵表示；接收方通过传统信道将关于退偏情况的相关信息反馈，即穆勒矩阵反馈给发送方；发送方接收到穆勒矩阵表述的退偏信息M，利用处理器求出该穆勒矩阵的逆矩阵

，此后发送方将预先发送的偏振态为S的偏振光，调节为发送偏振态为

S的偏振光子。这种方法可有效降低量子通信以及量子通信密钥分发过程中，量子信道对于偏振光偏振态影响所造成的通信误差。

Description

基于光子偏振预畸变的量子通信方法

技术领域

本发明属于量子通信学科领域，具体涉及一种基于光子偏振预畸变的量子通信方法。

背景技术

量子通信是利用量子纠缠的原理，通信双方通过共同的经典信道和量子信道进行密钥分配协商，其绝对安全性由量子力学的海森伯格测不准定理以及不可克隆原理来保证。其中测不准定理揭示了，在微观世界中物质的波动性和粒子性是不能同时确定的，在窃听者窃听的时候，不可避免的使接收者的粒子性或者波动性发生改变，因此可以被察觉，使得保密通信变得很安全。不可克隆原理表明，对于未知的量子态不可将其复制而不改变其原来的状态。

光子作为我们可直接观测到的唯一微观粒子，具有量子性。一个偏振光束中每一个光子都处于一定的偏振态，线偏振光束中的光子处于线偏振态，圆偏振光束的光子处于圆偏振态等等。不同偏振态的光子作为承载信息的主要环节既可实现自由空间量子通信以及自由空间量子密钥分配。

其次，偏振光作为量子通信过程中承载信息的主要环节，在传播过程中易受大气湍流、大气气溶胶、大气湿度以及散射效应的影响而发生退偏现象。如，大气湍流导致偏振光在传播过程中相位和传播方向的改变，形成电矢量间相位差的改变与方位角的改变，从而导致偏振态的变化；大气溶胶浓度的增加会使得右旋圆偏振光以及45°线偏振光的偏振度减小；湿度小于85％时，湿度的增加则会使得圆偏振光的偏振度增加；而对于散射效应而言，前向散射会使得椭圆偏振光的旋性发生改变，改变了偏振光的偏振态。

BB84协议是基于两个非对易可观测量的量子通信协议。它的特点是Alice和Bob分别采样四个非正交态作为量子信息态，且这四个态分属于两组共轭基，每组共轭基中的两个态是相互正交的，如表1所示。两组基互为共轭指的是，一组基的任一基矢在另一组基的任何基矢上的投影都相等。因此，对于某一组基的基矢量子态，以另一组共轭基对其进行测量，会消除它测量前具有的全部信息而使结果完全随机。BB84协议通过量子信道传输量子信息态，通过经典信道来传输经典辅助信息。

表1 BB84协议产生密钥过程

依据上述对BB84协议的相关描述以及信道对偏振光偏振态影响的描述可知，接收机准确判断发射机所发射光子的偏振态是收发两端进行自由空间量子通信以及自由空间量子密钥分配的首要前提。

由上述可知，在密钥分发过程中，发送方Alice与接收方Bob需要选择各自的测量基矢，然而由于量子信道的退偏影响，Bob所选择的基矢可能会与Alice所选择的基矢产生一定夹角，从而导致Bob错误判断Alice所发送的信息，目前量子通信过程中光偏振的修正方法，主要采用调节通信收发两端测量基矢的方法降低通信误差。这种方法只是聚焦于双发两端偏振基矢的误差，并未考虑通信过程中信道对偏振光子造成的退偏影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的状况，提供一种基于光子偏振预畸变的量子通信方法，这种方法可有效降低量子通信以及量子通信密钥分发过程中，量子信道对于偏振光偏振态影响所造成的通信误差。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于光子偏振预畸变的量子通信方法，包括如下步骤：

步骤一，发送方Alice发送内容为水平线偏振光H、垂直线偏振光V、45°线偏振光P和右旋圆偏振光R的训练序列；

步骤二，接收方Bob通过检测接收到的上述训练序列中各偏振光对应的偏振态，求出量子信道对于偏振光序列的影响，即偏振光序列通过信道后的退偏情况，该退偏情况使用穆勒矩阵表示；

步骤三，接收方Bob通过传统信道将关于退偏情况的相关信息反馈，即穆勒矩阵反馈给发送方Alice；

步骤四，发送方Alice接收到穆勒矩阵表述的退偏信息M，利用处理器求出该穆勒矩阵的逆矩阵

此后Alice将预先发送的偏振态为S的偏振光，调节为发送偏振态为

的偏振光子。

步骤一中，Alice利用偏振控制器，发送偏振光子训练序列，训练序列包含水平线偏振光、垂直线偏振光、45°线偏振光和右旋圆偏振光，四者的斯托克斯矢量可表示为水平线偏振光S0＝[1 1 0 1]^T、垂直线偏振光S1＝[1 -1 0 0]^T、45°线偏振光S2＝[1 0 1 0]^T和右旋圆偏振光S3＝[1 0 0 1]^T。

步骤二中，Bob利用光子偏振探测系统，检测到训练序列各偏振光的偏振态为S0’、S1’、S2’和S3’；Bob再次利用量子信道对偏振态的影响关系S’＝MS，求出4×4穆勒矩阵的16个分量。

步骤四包括如下步骤：

4-1)Alice利用随机数发生器，产生一个随机数0或者1，记作a，用a来决定选择哪组共轭基：得到0就用{|H>，|V>}的基组，得到1就用{|π/4>，|3π/4>}的基组；选择基组后，再产生一个随机数，记作a’，根据a’决定在基组中选择哪一个偏振态：得到0就在|H>和|V>中选择|H>，或者在|π/4>和|3π/4>中选择|π/4>；得到1就在|H>和|V>中选择|V>，或者在|π/4>和|3π/4>中选择|3π/4>；

4-2)首先Alice经过步骤4-1)的双重随机选择之后，保留随机数a’；其次Alice利用步骤三中Bob反馈的穆勒矩阵M，求出穆勒矩阵的逆矩阵

此时原本经过双重随机选择后Alice需要发送的偏振光子的偏振态为S，现在Alice结合穆勒矩阵的逆矩阵，发送偏振态为

的偏振光子；

4-3)Bob通过一个随机数发生器，产生一个随机数0或者1，记作b，得到0就在{|H>，|V>}的基组中测量，得到1就在{|π/4>，|3π/4>}的基组中测量；Bob测得|H>或者|π/4>就记下一个0，测得|V>或者|3π/4>就记下一个1，Bob将这个数记为b’；

4-4)Alice和Bob之间重复步骤4-1)、步骤4-2)和步骤4-3)，也就是收发双方发送和接收若干个偏振光子；

4-5)，Alice和Bob通过传统信道公布各自的第一个序列，也就是Alice的a序列和Bob的b序列，收发双方通过对比第一个序列中相同的部分，就可以确定双方采用相同基组的地方；

4-6)，Alice和Bob将各自第一序列相同部分对应的a’和b’整理出来，这个随机数序列用作密钥；

4-7)，密钥分发过程结束后，Alice和Bob两端进行量子通信过程中，Alice端依旧利用步骤4-2)进行预畸变处理。

由于偏振光在传输过程中会受到量子信道的各种影响，从而导致用于量子通信的偏振光出现退偏情况。为了有效的缓解信道退偏效应导致的通信误差，本发明提出一种偏振光预畸变的方法，即通过发送方发送训练序列的方法，得出量子信道对光子偏振态的影响结果，从而使得收发双方在量子通信以及量子通信密钥分发过程，提前考虑信道对偏振光子的影响，继而在发送端调整发送偏振光子偏振态。

在收发两端进行量子通信或者密钥分配协商之前，发送端发送由水平线偏振光、垂直线偏振光、45°线偏振光、右旋圆偏振光组成的训练序列，接收端通过分析接收到的训练序列中各偏振光的偏振态，得出训练序列经过量子信道后的退偏情况，并且将退偏情况通过传统信道反馈给发送端，发送端利用接收端反馈的退偏信息，调节量子通信或者量子密钥分配过程中所需发送偏振光的偏振态。通过上述过程，可有效降低量子通信以及量子通信密钥分发过程中，量子信道对于偏振光偏振态影响所造成的通信误差。

本发明提供了一种简单可行的、预畸变量子通信方案。通过接收方的反馈信息，发送方对原先准备发送的偏振光子做预畸变处理，有效的克服了量子信道对于量子通信信息载体(偏振光子)的影响，在具备量子通信通用安全属性的前提下，避免了由于信道对光子偏振态影响所带来的通信误差，可为实用化量子通信网络提供重要技术参考。

附图说明

图1为实施例中基于光子偏振预畸变的量子通信方法的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，一种基于光子偏振预畸变的量子通信方法，包括如下步骤：

步骤一，发送方Alice发送内容为水平线偏振光H、垂直线偏振光V、45°线偏振光P和右旋圆偏振光R的训练序列；

步骤二，接收方Bob通过检测接收到的上述训练序列中各偏振光对应的偏振态，求出量子信道对于偏振光序列的影响，即偏振光序列通过信道后的退偏情况，该退偏情况使用穆勒矩阵表示；

步骤三，接收方Bob通过传统信道将关于退偏情况的相关信息反馈，即穆勒矩阵反馈给发送方Alice；

步骤四，发送方Alice接收到穆勒矩阵表述的退偏信息M，利用处理器求出该穆勒矩阵的逆矩阵

此后Alice将预先发送的偏振态为S的偏振光，调节为发送偏振态为

的偏振光子。

步骤一中，Alice利用偏振控制器，发送偏振光子训练序列，训练序列包含水平线偏振光、垂直线偏振光、45°线偏振光和右旋圆偏振光，四者的斯托克斯矢量可表示为水平线偏振光S0＝[1 1 0 0]^T、垂直线偏振光S1＝[1 -1 0 0]^T、45°线偏振光S2＝[1 0 1 0]^T和右旋圆偏振光S3＝[1 0 0 1]^T。

步骤二中，Bob利用光子偏振探测系统，检测到训练序列各偏振光的偏振态为S0’、S1’、S2’和S3’；Bob再次利用量子信道对偏振态的影响关系S’＝MS，求出4×4穆勒矩阵的16个分量。

步骤四包括如下步骤：

4-1)Alice利用随机数发生器，产生一个随机数0或者1，记作a，用a来决定选择哪组共轭基：得到0就用{|H>，|V>}的基组，得到1就用{|π/4>，|3π/4>}的基组；选择基组后，再产生一个随机数，记作a’，根据a’决定在基组中选择哪一个偏振态：得到0就在|H>和|V>中选择|H>，或者在|π/4>和|3π/4>中选择|π/4>；得到1就在|H>和|V>中选择|V>，或者在|π/4>和|3π/4>中选择|3π/4>；

4-2)首先Alice经过步骤4-1)的双重随机选择之后，保留随机数a’；其次Alice利用步骤三中Bob反馈的穆勒矩阵M，求出穆勒矩阵的逆矩阵

此时原本经过双重随机选择后Alice需要发送的偏振光子的偏振态为S，现在Alice结合穆勒矩阵的逆矩阵，发送偏振态为

的偏振光子；

4-3)Bob通过一个随机数发生器，产生一个随机数0或者1，记作b，得到0就在{|H>，|V>}的基组中测量，得到1就在{|π/4>，|3π/4>}的基组中测量；Bob测得|H>或者|π/4>就记下一个0，测得|V>或者|3π/4>就记下一个1，Bob将这个数记为b’；

4-4)Alice和Bob之间重复步骤4-1)、步骤4-2)和步骤4-3)，也就是收发双方发送和接收若干个偏振光子；

4-5)，Alice和Bob通过传统信道公布各自的第一个序列，也就是Alice的a序列和Bob的b序列，收发双方通过对比第一个序列中相同的部分，就可以确定双方采用相同基组的地方；

4-6)，Alice和Bob将各自第一序列相同部分对应的a’和b’整理出来，这个随机数序列用作密钥。

4-7)，密钥分发过程结束后，Alice和Bob两端进行量子通信过程中，Alice端依旧利用步骤4-2)进行预畸变处理。

以上公开的本发明的优选实施例，只是帮助阐述本发明，不限制本发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (4)

1.一种基于光子偏振预畸变的量子通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，发送方Alice发送内容为水平线偏振光H、垂直线偏振光V、45°线偏振光P和右旋圆偏振光R的训练序列；

步骤二，接收方Bob通过检测接收到的上述训练序列中各偏振光对应的偏振态，求出量子信道对于偏振光序列的影响，即偏振光序列通过信道后的退偏情况，该退偏情况使用穆勒矩阵表示；

步骤三，接收方Bob通过传统信道将关于退偏情况的相关信息反馈，即穆勒矩阵反馈给发送方Alice；

步骤四，发送方Alice接收到穆勒矩阵表述的退偏信息M，利用处理器求出该穆勒矩阵的逆矩阵

此后Alice将预先发送的偏振态为S的偏振光，调节为发送偏振态为

的偏振光子。

2.根据权利要求1所述的基于光子偏振预畸变的量子通信方法，其特征在于，步骤一中，Alice利用偏振控制器，发送偏振光子训练序列，训练序列包含水平线偏振光、垂直线偏振光、45°线偏振光和右旋圆偏振光，四者的斯托克斯矢量可表示为水平线偏振光S0＝[1 10 0]^T、垂直线偏振光S1＝[1 -1 0 0]^T、45°线偏振光S2＝[1 0 1 0]^T和右旋圆偏振光S3＝[1 0 0 1]^T。

3.根据权利要求1所述的基于光子偏振预畸变的量子通信方法，其特征在于，步骤二中，Bob利用光子偏振探测系统，检测到训练序列各偏振光的偏振态为S0’、S1’、S2’和S3’；Bob再次利用量子信道对偏振态的影响关系S’＝MS，求出4×4穆勒矩阵的16个分量。

4.根据权利要求1所述的基于光子偏振预畸变的量子通信方法，其特征在于，步骤四包括如下步骤：

4-1)Alice利用随机数发生器，产生一个随机数0或者1，记作a，用a来决定选择哪组共轭基：得到0就用{|H>，|V>}的基组，得到1就用{|π/4>，|3π/4>}的基组；选择基组后，再产生一个随机数，记作a’，根据a’决定在基组中选择哪一个偏振态：得到0就在|H>和|V>中选择|H>，或者在|π/4>和|3π/4>中选择|π/4>；得到1就在|H>和|V>中选择|V>，或者在|π/4>和|3π/4>中选择|3π/4>；

4-2)首先Alice经过步骤4-1)的双重随机选择之后，保留随机数a’；其次Alice利用步骤三中Bob反馈的穆勒矩阵M，求出穆勒矩阵的逆矩阵

此时原本经过双重随机选择后Alice需要发送的偏振光子的偏振态为S，现在Alice结合穆勒矩阵的逆矩阵，发送偏振态为

的偏振光子；

4-3)Bob通过一个随机数发生器，产生一个随机数0或者1，记作b，得到0就在{|H>，|V>}的基组中测量，得到1就在{|π/4>，|3π/4>}的基组中测量；Bob测得|H>或者|π/4>就记下一个0，测得|V>或者|3π/4>就记下一个1，Bob将这个数记为b’；

4-4)Alice和Bob之间重复步骤4-1)、步骤4-2)和步骤4-3)，也就是收发双方发送和接收若干个偏振光子；

4-5)，Alice和Bob通过传统信道公布各自的第一个序列，也就是Alice的a序列和Bob的b序列，收发双方通过对比第一个序列中相同的部分，就可以确定双方采用相同基组的地方；

4-6)，Alice和Bob将各自第一序列相同部分对应的a’和b’整理出来，这个随机数序列用作密钥；

4-7)，密钥分发过程结束后，Alice和Bob两端进行量子通信过程中，Alice端依旧利用步骤4-2)进行预畸变处理。

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