CN115567119B - 用于量子通信系统的相位补偿方法、装置、介质和设备 - Google Patents

用于量子通信系统的相位补偿方法、装置、介质和设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于量子通信系统的相位补偿方法、装置、介质和设备，其中，所述方法包括：获取量子通信系统的当前成码错误率；响应于量子通信系统的当前成码错误率高于目标成码错误率，基于当前成码错误率和目标成码错误率确定量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；根据相位差的变化量以及设置在量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值，确定通过相位调制单元向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量，以补偿不等臂干涉仪的相位差的变化量。本发明可根据系统的成码错误率实时地对量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位进行高精度补偿，以确保系统成码率的稳定性和可靠性。

Description

用于量子通信系统的相位补偿方法、装置、介质和设备
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及用于量子通信系统的相位补偿方法、装置、介质和设备。
背景技术
在相关技术中，对于基于相位编码或时间相位编码的量子通信系统（或量子密钥分发系统），其发送端和接收端中均设置有相位差相同的不等臂干涉仪。然而，在实际应用中，量子通信系统中的发送端和接收端各自的不等臂干涉仪所受到的周围环境的干扰因素（例如，温度的变化、振动的大小和方向等）往往是不同的，因此发送端和接收端各自的不等臂干涉仪的相位差经常发生变化，这使得发送端和接收端的相位差无法保持一致，进而影响到系统干涉结果的稳定性，进而降低系统的成码率。
发明内容
本发明的目的在于提供用于量子通信系统的相位补偿方法、装置、介质和设备。
根据本发明的一方面，提供一种用于量子通信系统的相位补偿方法，所述方法包括：获取所述量子通信系统的当前成码错误率；响应于所述量子通信系统的当前成码错误率高于所述量子通信系统的目标成码错误率，基于所述当前成码错误率和所述目标成码错误率确定所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；根据所述相位差的变化量以及设置在所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值，确定通过所述相位调制单元向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量，以补偿所述不等臂干涉仪的相位差的变化量。
根据本发明的一个实施例，所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量基于下式而被确定：
Figure 288972DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 155297DEST_PATH_IMAGE002
表示所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；
Figure 618639DEST_PATH_IMAGE003
表示所述量子通信系统的当前成码错误率；
Figure 353246DEST_PATH_IMAGE004
表示所述量子通信系统的目标成码错误率。
根据本发明的一个实施例，向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量基于下式而被确定：
Figure 647961DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 154029DEST_PATH_IMAGE006
表示向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量；
Figure 776771DEST_PATH_IMAGE002
表示所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；
Figure 190435DEST_PATH_IMAGE007
表示设置在所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值。
根据本发明的一个实施例，所述量子通信系统为基于时间相位编码的量子通信系统或基于相位编码的量子通信系统。
根据本发明的另一方面，提供一种用于量子通信系统的相位补偿装置，所述装置包括：系统错误率获取单元，被配置为获取所述量子通信系统的当前成码错误率；相位差变化确定单元，被配置为响应于所述量子通信系统的当前成码错误率高于所述量子通信系统的目标成码错误率，基于所述当前成码错误率和所述目标成码错误率确定所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；电压变化补偿单元，被配置为根据所述相位差的变化量以及设置在所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值，确定通过所述相位调制单元向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量，以补偿所述不等臂干涉仪的相位差的变化量。
根据本发明的一个实施例，所述相位差变化确定单元基于下式确定所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量：
Figure 277340DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 639794DEST_PATH_IMAGE002
表示所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；
Figure 812150DEST_PATH_IMAGE003
表示所述量子通信系统的当前成码错误率；
Figure 763925DEST_PATH_IMAGE004
表示所述量子通信系统的目标成码错误率。
根据本发明的一个实施例，所述电压变化补偿单元基于下式确定向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量：
Figure 908599DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 756469DEST_PATH_IMAGE006
表示向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量；
Figure 478437DEST_PATH_IMAGE002
表示所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；
Figure 437166DEST_PATH_IMAGE007
表示设置在所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值。
根据本发明的一个实施例，所述量子通信系统为基于时间相位编码的量子通信系统或基于相位编码的量子通信系统。
根据本发明的另一方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时，实现如前面所述的用于量子通信系统的相位补偿方法。
根据本发明的另一方面，提供一种计算机设备，所述计算机设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如前面所述的用于量子通信系统的相位补偿方法。
本发明所提供的用于量子通信系统的相位补偿方法、装置、介质和设备能够根据系统的成码错误率实时地对量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位进行高精度补偿，以确保系统成码率的稳定性和可靠性。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚。
图1示出了基于相位编码或时间相位编码的量子通信系统的示意图。
图2示出了量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差随相位调制电压变化的示意图。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的相位补偿方法的示意性流程图。
图4示出了根据本发明的示例性实施例的向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量随量子通信系统的成码错误率变化的示意图。
图5示出了根据本发明的示例性实施例的向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量随量子通信系统的成码错误率变化的另一示意图。
图6示出了根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的相位补偿装置的示意性结构框图。
具体实施方式
图1示出了基于相位编码或时间相位编码的量子通信系统的示意图。
参照图1，在图1所示的量子通信系统中，可包括不等臂干涉仪M-Z1和不等臂干涉仪M-Z2，其中，不等臂干涉仪M-Z1可包括在图1所示的量子通信系统的发射端Alice的编码模块中，不等臂干涉仪M-Z2可包括在图1所示的量子通信系统的接收端Bob的解码模块中。通常，为了防止量子通信系统因不等臂干涉仪的干涉效果变差而导致量子通信系统的成码错误率增加，必须使得不等臂干涉仪M-Z1的相位差与不等臂干涉仪M-Z2的相位差保持一致，才能确保量子通信系统获得期望的最佳干涉效果，此时在不等臂干涉仪M-Z2的输出端探测到的单光子计数将达到最大。换言之，在最佳干涉状况下，不等臂干涉仪M-Z1的相位差应与不等臂干涉仪M-Z2的相位差相同。然而，随着周围环境（诸如，温度、振动等）的变化，不等臂干涉仪M-Z1的相位差与不等臂干涉仪M-Z2的相位差也会随之发生变化，因此，二者很难始终保持一致，这会破坏系统运行的稳定性，导致系统的成码错误率升高。
图2示出了量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差随相位调制电压变化的示意图。
参看图2，横轴表示相位调制单元（如图1示出的移相器FPS）向设置在量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压V，纵轴表示该不等臂干涉仪的相位差
Figure 420035DEST_PATH_IMAGE010
。
从图2中可以看出，不等臂干涉仪的相位差
Figure 438806DEST_PATH_IMAGE010
可随着相位调制电压V的增大而在±A之间发生周期性变化，并且针对相位调制电压V的调节可被限制在Vmin与Vmax之间。因此，当针对相位调制电压V的调节达到或接近Vmin或Vmax时，系统会被重新启动，以使得相位调制电压V调回初始值，这也会破坏系统运行的稳定性，导致系统的成码错误率升高。
为了提升量子通信系统中的不等臂干涉仪对周围环境的适应性，确保不等臂干涉仪的干涉效果的稳定性，提升量子通信系统的成码率，可通过改变设置在不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元（诸如，但不限于，图1中示出的移相器FPS）向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压来实现对不等臂干涉仪的相位差的微调，这种微调可使得包括在发射端中的不等臂干涉仪的相位差与包括在接收端中的不等臂干涉仪的相位差尽可能地保持一致。
下面，将参照附图来详细说明本发明的实施例。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的相位补偿方法的示意性流程图。
参照图1，图1所示的方法可包括如下步骤。
在步骤301，获取量子通信系统的当前成码错误率。
在步骤302，响应于量子通信系统的当前成码错误率高于量子通信系统的目标成码错误率，基于当前成码错误率和目标成码错误率确定量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量。
在基于相位编码或时间相位编码的量子通信系统中，量子通信系统的成码错误率与设置在量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差之间可存在如下计算关系（1）：
Figure 382491DEST_PATH_IMAGE011
（1）
其中，
Figure 82594DEST_PATH_IMAGE012
表示量子通信系统的成码错误率；/>
Figure 795335DEST_PATH_IMAGE010
表示量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差。
在一个示例中，当量子通信系统的目标成码错误率不为0时，可基于式（2）确定量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量
Figure 719429DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 42088DEST_PATH_IMAGE013
（2）
其中，
Figure 342619DEST_PATH_IMAGE002
表示量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；/>
Figure 175446DEST_PATH_IMAGE014
表示量子通信系统中的不等臂干涉仪在量子通信系统的当前成码错误率下的相位差；/>
Figure 208124DEST_PATH_IMAGE015
表示量子通信系统中的不等臂干涉仪在量子通信系统的目标当前成码错误率下的相位差；/>
Figure 329664DEST_PATH_IMAGE003
表示量子通信系统的当前成码错误率；/>
Figure 230624DEST_PATH_IMAGE004
表示量子通信系统的目标成码错误率。
在另一示例中，当量子通信系统的目标成码错误率为0时，可基于式（3）确定量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量
Figure 42591DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 574067DEST_PATH_IMAGE016
（3）
其中，
Figure 979640DEST_PATH_IMAGE002
表示量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；/>
Figure 887553DEST_PATH_IMAGE014
表示量子通信系统中的不等臂干涉仪在量子通信系统的当前成码错误率下的相位差；/>
Figure 570338DEST_PATH_IMAGE015
表示量子通信系统中的不等臂干涉仪在量子通信系统的目标当前成码错误率下的相位差；/>
Figure 69453DEST_PATH_IMAGE003
表示量子通信系统的当前成码错误率。
在步骤303，根据相位差的变化量以及设置在量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值，确定通过相位调制单元向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量，以补偿不等臂干涉仪的相位差的变化量。
在基于相位编码或时间相位编码的量子通信系统中，向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量与量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量之间可存在如下计算关系（4）：
Figure 900006DEST_PATH_IMAGE009
（4）
其中，
Figure 31516DEST_PATH_IMAGE006
表示向量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量；/>
Figure 427863DEST_PATH_IMAGE002
表示量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；/>
Figure 301141DEST_PATH_IMAGE007
表示设置在量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值。
在一个示例中，当量子通信系统的目标成码错误率不为0时，可基于式（5）确定向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量：
Figure 556673DEST_PATH_IMAGE017
（5）
图4示出了根据本发明的示例性实施例的向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量随量子通信系统的成码错误率变化的示意图。
在另一示例中，当量子通信系统的目标成码错误率为0时，可基于式（6）确定向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量：
Figure 540809DEST_PATH_IMAGE018
（6）
图5示出了根据本发明的示例性实施例的向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量随量子通信系统的成码错误率变化的另一示意图。
参看图4和图5，横轴表示量子通信系统的成码错误率，纵轴表示向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量。从图4和图5中均可以看出，向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量可随着量子通信系统的成码错误率的增大而增大。这意味着，成码错误率越大，施加的相位调制电压的变化量也越大。
此外，在图1所示的方法中，还可进一步包括对相位调制电压的变化量的方向的调整。作为示例而非限制，可经由相位调制单元随机地向不等臂干涉仪的长臂施加相位调制电压的变化量，如果量子通信系统的当前成码错误率超过量子通信系统的目标成码错误率达到两次以上，则经由相位调制单元向不等臂干涉仪的长臂反向施加相位调制电压的变化量；如果量子通信系统的当前成码错误率低于量子通信系统的目标成码错误率达到两次以上，则保持经由相位调制单元向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量。这样可有效地确保相位调制单元向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量的方向的正确性。
可见，使用图3所示的相位补偿方法，可实时地对量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位进行高精度补偿，以确保系统成码率的稳定性和可靠性。
图6示出了根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的相位补偿装置的示意性结构框图。
参照图6，图6所示的装置至少可包括系统错误率获取单元601、相位差变化确定单元602和电压变化补偿单元603。
在图6所示的装置中，系统错误率获取单元601可被配置为获取量子通信系统的当前成码错误率；相位差变化确定单元602可被配置为响应于量子通信系统的当前成码错误率高于量子通信系统的目标成码错误率，基于当前成码错误率和目标成码错误率确定量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；电压变化补偿单元603可被配置为根据相位差的变化量以及设置在量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值，确定通过相位调制单元向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量，以补偿不等臂干涉仪的相位差的变化量。
在一个示例中，当量子通信系统的目标成码错误率不为0时，相位差变化确定单元602可基于式（2）确定量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量。
在另一示例中，当量子通信系统的目标成码错误率为0时，相位差变化确定单元602可基于式（3）确定量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量
Figure 322820DEST_PATH_IMAGE002
。
在上述示例中，电压变化补偿单元603可基于（4）确定向不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量。
可见，使用图6所示的相位补偿装置，可实时地对量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位进行高精度补偿，以确保系统成码率的稳定性和可靠性。
此外，根据本发明的示例性实施例还可提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的相位补偿方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波（诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输）。
此外，根据本发明的示例性实施例还可提供一种计算设备。该计算设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的示例性实施例的用于量子通信系统的相位补偿方法的计算机程序。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本申请，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。

Claims (10)

1.一种用于量子通信系统的相位补偿方法，其特征在于，包括：
获取所述量子通信系统的当前成码错误率；
响应于所述量子通信系统的当前成码错误率高于所述量子通信系统的目标成码错误率，基于所述当前成码错误率和所述目标成码错误率确定所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；
根据所述相位差的变化量以及设置在所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值，确定通过所述相位调制单元向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量，以补偿所述不等臂干涉仪的相位差的变化量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量基于下式而被确定：
Figure 746914DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 319847DEST_PATH_IMAGE002
表示所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；
Figure 834005DEST_PATH_IMAGE003
表示所述量子通信系统的当前成码错误率；
Figure 760372DEST_PATH_IMAGE004
表示所述量子通信系统的目标成码错误率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量基于下式而被确定：
Figure 246849DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 803732DEST_PATH_IMAGE006
表示向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量；
Figure 601924DEST_PATH_IMAGE002
表示所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；
Figure 220730DEST_PATH_IMAGE007
表示设置在所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子通信系统为基于时间相位编码的量子通信系统或基于相位编码的量子通信系统。
5.一种用于量子通信系统的相位补偿装置，其特征在于，包括：
系统错误率获取单元，被配置为获取所述量子通信系统的当前成码错误率；
相位差变化确定单元，被配置为响应于所述量子通信系统的当前成码错误率高于所述量子通信系统的目标成码错误率，基于所述当前成码错误率和所述目标成码错误率确定所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；
电压变化补偿单元，被配置为根据所述相位差的变化量以及设置在所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值，确定通过所述相位调制单元向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量，以补偿所述不等臂干涉仪的相位差的变化量。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述相位差变化确定单元基于下式确定所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量：
Figure 624030DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 148552DEST_PATH_IMAGE002
表示所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；
Figure 574985DEST_PATH_IMAGE003
表示所述量子通信系统的当前成码错误率；
Figure 46418DEST_PATH_IMAGE004
表示所述量子通信系统的目标成码错误率。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电压变化补偿单元基于下式确定向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量：
Figure 366541DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 530806DEST_PATH_IMAGE006
表示向所述不等臂干涉仪的长臂施加的相位调制电压的变化量；
Figure 428224DEST_PATH_IMAGE002
表示所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的相位差的变化量；
Figure 500085DEST_PATH_IMAGE007
表示设置在所述量子通信系统中的不等臂干涉仪的长臂上的相位调制单元的半波电压值。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述量子通信系统为基于时间相位编码的量子通信系统或基于相位编码的量子通信系统。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其中，当所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至4中任意一项所述的用于量子通信系统的相位补偿方法。
10.一种计算设备，包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至4中任意一项所述的用于量子通信系统的相位补偿方法。
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