誤碼率和不確定率聯(lián)合反饋的光子偏振態(tài)補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光子偏振態(tài)補(bǔ)償技術(shù)，尤其是使用偏振編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，具體的說是一種誤碼率和不確定率聯(lián)合反饋的光子偏振態(tài)補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，公知的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)使用的偏振補(bǔ)償方案主要有雙向光路偏振自補(bǔ)償、中斷式補(bǔ)償、時(shí)分復(fù)用補(bǔ)償和波分復(fù)用補(bǔ)償[光纖量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的幾種偏振補(bǔ)償技術(shù)，王劍，激光與光電子學(xué)進(jìn)展]?；陔p向光路結(jié)構(gòu)偏振自補(bǔ)償方案由于無需借助外部設(shè)備，僅利用光路結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)偏振自補(bǔ)償，但是由于光子往返兩次通過光纖，使得傳輸距離受限，系統(tǒng)效率相對(duì)較低，且易受攻擊。中斷式偏振補(bǔ)償易于實(shí)現(xiàn)，但是效率低，大約要用10%的時(shí)間進(jìn)行偏振補(bǔ)償。時(shí)分復(fù)用偏振補(bǔ)償方案由于參考光與信號(hào)光波長(zhǎng)相同，因此可以通過補(bǔ)償參考光達(dá)到對(duì)信號(hào)光的精確補(bǔ)償，但是為了減小參考光對(duì)量子信號(hào)的干擾，需要系統(tǒng)在提高同步信號(hào)的精度和減小探測(cè)器門脈沖的寬度上付出較大成本。波分復(fù)用偏振補(bǔ)償方案可以避免參考光的干擾，在一定程度上降低誤碼率，具有較好的穩(wěn)定性，但是由于波長(zhǎng)不同，偏振態(tài)演化也不同，難以依據(jù)參考光對(duì)信號(hào)光實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償，特別是通過一個(gè)電動(dòng)偏振控制器只能盡可能地補(bǔ)償量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的兩個(gè)非正交偏振態(tài)。因此，現(xiàn)有量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的偏振補(bǔ)償方法無法在兼顧效率、距離和成本的情況下對(duì)兩個(gè)非正交的光子偏振態(tài)進(jìn)行精確補(bǔ)償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的偏振補(bǔ)償方法無法在兼顧效率、距離和成本的情況下對(duì)兩個(gè)非正交的光子偏振態(tài)進(jìn)行精確補(bǔ)償?shù)牟蛔?，本發(fā)明提出一種誤碼率和不確定率聯(lián)合反饋的光子偏振態(tài)補(bǔ)償方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0005]一種誤碼率和不確定率聯(lián)合反饋的光子偏振態(tài)補(bǔ)償方法，它包括以下步驟:
[0006]將量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)期望接收的光子偏振態(tài)用Poincar6球上的一個(gè)點(diǎn)表不，實(shí)時(shí)偏振態(tài)與期望偏振態(tài)的夾角就對(duì)應(yīng)當(dāng)前的誤碼率，實(shí)時(shí)偏振態(tài)與期望的非正交偏振態(tài)的夾角就對(duì)應(yīng)當(dāng)前的不確定率；
[0007]統(tǒng)計(jì)發(fā)送端和接收端對(duì)基成功時(shí)光子偏振態(tài)對(duì)自身偏振態(tài)的誤碼率，在Poincar6球上將實(shí)時(shí)偏振態(tài)定位到相對(duì)期望偏振態(tài)的夾角對(duì)應(yīng)前述誤碼率的圓上；
[0008]統(tǒng)計(jì)發(fā)送端和接收端對(duì)基失敗時(shí)光子偏振態(tài)對(duì)期望的非正交偏振態(tài)的不確定率，在Poincar6球上進(jìn)一步將實(shí)時(shí)偏振態(tài)定位到前述圓上的兩個(gè)點(diǎn)；
[0009]前述兩個(gè)點(diǎn)到期望偏振態(tài)和期望的非正交偏振態(tài)的夾角都是相等的，隨機(jī)選擇一個(gè)點(diǎn)作為實(shí)時(shí)偏振態(tài)進(jìn)行試探性補(bǔ)償，如果誤碼率減小，則可判定選擇正確，反之，另一點(diǎn)即是實(shí)時(shí)偏振態(tài)；
[0010]根據(jù)判定的實(shí)時(shí)偏振態(tài)，按照通用的方法調(diào)節(jié)偏振控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)光子偏振態(tài)的補(bǔ)償。
[0011]本發(fā)明中，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)每次在長(zhǎng)度為M的原始密鑰中公布N位用于統(tǒng)計(jì)誤碼率，其中N遠(yuǎn)小于M，在原始密鑰所在的有效探測(cè)序列中公布N位偽密鑰用于統(tǒng)計(jì)不確定率，利用誤碼率和不確定率在PoincaM球估計(jì)接收端的光子偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)補(bǔ)償兩個(gè)非正交的偏振態(tài)|+>和I H〉，具體包括以下步驟:
[0012](a)、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的接收端在長(zhǎng)度為M的原始密鑰所在的有效探測(cè)序列內(nèi)隨機(jī)挑選N’位對(duì)基失敗的探測(cè)結(jié)果，稱為偽密鑰，通過經(jīng)典信道向發(fā)送端公開，其中
N，多 N ;
[0013](b)、將非正交的兩個(gè)偏振態(tài)|+>和I H〉分別標(biāo)記為A和B ;
[0014](c)、將A在Poincar6球上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)記為A。，Atl是A在接收端的期望偏振態(tài)，將B在Poincar6球上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)記為Btl, Btl是B在接收端的期望偏振態(tài)，A ^與B C1的夾角，即相應(yīng)半徑的夾角，取值范圍為(0，π);
[0015](d)、在公開的N位密鑰中，統(tǒng)計(jì)A的誤碼率為Ea;
[0016](e)、在Poincar6球上作圓Ce，使得該圓(^上的點(diǎn)與A ^的夾角的半角的余弦值為(1-Ea)的正平方根；
[0017](f)、在公開的N’位偽密鑰中，統(tǒng)計(jì)發(fā)送端編碼為A但接收端探測(cè)為B的概率，即A相對(duì)B的不確定率，記為Ua;
[0018](g)、在Poincar6球上作圓Cu,使得該圓Cu上的點(diǎn)與B ^的夾角的半角的余弦值為Ua的正平方根；
[0019]00、將Ce記為Cea，將Cu記為Cua，然后將非正交的偏振態(tài)|+>和|H>分別標(biāo)記為B和A，重復(fù)步驟(c)?(g)，將得到的將Ce記為C EB，將Cu記為C υΒ;
[0020](i)、按照下述情況判定實(shí)時(shí)偏振態(tài)，采取通用的方法調(diào)節(jié)偏振控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)光子偏振態(tài)的補(bǔ)償:
[0021 ] 如果Cea與C UA、CEB與C ?均僅有I個(gè)交點(diǎn)，則將這兩個(gè)點(diǎn)分別作為A在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)仏和B在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)B 1進(jìn)行補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)到(a)進(jìn)行下一輪補(bǔ)償；
[0022]如果Cea與C I個(gè)交點(diǎn)，C吧與C ^有2個(gè)交點(diǎn)，則先將C ^與C UA的交點(diǎn)作為A在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)A1，接著對(duì)Ceb與Cub的2個(gè)交點(diǎn)進(jìn)行試探性補(bǔ)償來判定B在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)B1，然后去除試探性補(bǔ)償，根據(jù)選定的AjP B1S行補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)到(a)進(jìn)行下一輪補(bǔ)償；
[0023]如果Cea與C ^有I個(gè)交點(diǎn)，C吧與C ^沒有交點(diǎn)，則先將C ^與C UA的交點(diǎn)作為A在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)A1,接著在Ceb與C ?上取相互距離最近的2個(gè)點(diǎn)，從中選取與A i的夾角最接近直角的點(diǎn)作為B在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)B1，根據(jù)選定的仏和B 1進(jìn)行補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)到(a)進(jìn)行下一輪補(bǔ)償；
[0024]如果Cea與CUA、CEB與Cub均有2個(gè)交點(diǎn)，則先對(duì)誤碼率較大的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試探性補(bǔ)償來判定一個(gè)實(shí)時(shí)偏振態(tài)八1或B i，接著從誤碼率較小的兩個(gè)點(diǎn)中選擇與已判定的八1或8 ^勺夾角最接近直角的點(diǎn)作為另一個(gè)實(shí)時(shí)偏振態(tài)81或A1，然后去除試探性補(bǔ)償，根據(jù)選定的A1和&進(jìn)行補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)到(a)進(jìn)行下一輪補(bǔ)償；
[0025]如果Cea與C 2個(gè)交點(diǎn)，C吧與C ^有I個(gè)交點(diǎn)，則先將C @與C UB的交點(diǎn)作為B在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)B1，接著對(duì)Cea與C ^的2個(gè)交點(diǎn)進(jìn)行試探性補(bǔ)償來判定A在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)A1，然后去除試探性補(bǔ)償，根據(jù)選定的AjPB 1進(jìn)行補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)到(a)進(jìn)行下一輪補(bǔ)償；
[0026]如果Cea與C抓有2個(gè)交點(diǎn)，C吧與C ^沒有交點(diǎn)，則先對(duì)C ^與C ?4的2個(gè)交點(diǎn)采用試探性補(bǔ)償來判定A的實(shí)時(shí)偏振態(tài)A1，接著在Ceb與Cub上取相互距離最近的2個(gè)點(diǎn)，從中選取與A1的夾角最接近直角的點(diǎn)作為B在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)B i，然后去除試探性補(bǔ)償，根據(jù)選定的AjPB 1進(jìn)行補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)到(a)進(jìn)行下一輪補(bǔ)償；
[0027]如果Cea與C UA、Ceb與C UB均沒有交點(diǎn)，此時(shí)兩組圓各有2個(gè)相互距離最近的點(diǎn)，則先選取相互距離更近的位于Cea或C EB上的那個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)實(shí)時(shí)偏振態(tài)A 1或B i，接著從另一組相互距離最近的2個(gè)點(diǎn)中選擇與已判定的仏或B 夾角最接近直角的點(diǎn)作為另一個(gè)實(shí)時(shí)偏振態(tài)&或A1，根據(jù)選定的AjPB 1進(jìn)行補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)到(a)進(jìn)行下一輪補(bǔ)償；
[0028]如果Cea與C ^沒有交點(diǎn)，C吧與C ^有I個(gè)交點(diǎn)，則將C @與C UB的交點(diǎn)作為B在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)B1，接著在Cea與Cua上取相互距離最近的2個(gè)點(diǎn)，從中選擇與B i的夾角最接近直角的點(diǎn)作為A在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)A1，根據(jù)選定的仏和B 1進(jìn)行補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)到
(a)進(jìn)行下一輪補(bǔ)償；
[0029]如果Cea與C ^沒有交點(diǎn)，C吧與C ^有2個(gè)交點(diǎn)，則先對(duì)C @與C ^的2個(gè)交點(diǎn)采用試探性補(bǔ)償來判定B的實(shí)時(shí)偏振態(tài)B1，接著在Cea與Cua上取相互距離最近的2個(gè)點(diǎn)，從中選取與B1的夾角最接近直角的點(diǎn)作為A在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)A1，然后去除試探性補(bǔ)償，根據(jù)選定的AjPB 1進(jìn)行補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)到(a)進(jìn)行下一輪補(bǔ)償。
[0030]本發(fā)明中，對(duì)2個(gè)交點(diǎn)進(jìn)行試探性補(bǔ)償判定實(shí)時(shí)偏振態(tài)的方法是隨機(jī)選取I個(gè)交點(diǎn)向2個(gè)交點(diǎn)的中點(diǎn)補(bǔ)償，如果該偏振態(tài)的誤碼率減小，則判定選取的點(diǎn)為實(shí)時(shí)偏振態(tài)，反之，則判定另一個(gè)點(diǎn)為實(shí)時(shí)偏振態(tài)。
[0031]本發(fā)明中，去除試探性補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菍⑵裱a(bǔ)償裝置還原到試探性補(bǔ)償前的狀
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[0032]本發(fā)明的有益效果:
[0033]本發(fā)明的方法能在不影響量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)通信效率和距離、不增加系統(tǒng)成本的情況下對(duì)兩個(gè)非正交的光子偏振態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確補(bǔ)償。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明的Poincar6球結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0036]如圖1所不，本發(fā)明將量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)期望接收的光子偏振態(tài)用Poincar6球上的一個(gè)點(diǎn)表不，實(shí)時(shí)偏振態(tài)與期望偏振態(tài)的夾角就對(duì)應(yīng)當(dāng)前的誤碼率，實(shí)時(shí)偏振態(tài)與期望的非正交偏振態(tài)的夾角就對(duì)應(yīng)當(dāng)前的不確定率。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)送端和接收端對(duì)基成功時(shí)光子偏振態(tài)對(duì)自身偏振態(tài)的誤碼率，在Poincar6球上將實(shí)時(shí)偏振態(tài)定位到相對(duì)期望偏振態(tài)的夾角對(duì)應(yīng)前述誤碼率的圓上。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)送端和接收端對(duì)基失敗時(shí)光子偏振態(tài)對(duì)期望的非正交偏振態(tài)的不確定率，在Poincar6球上進(jìn)一步將實(shí)時(shí)偏振態(tài)定位到前述圓上的兩個(gè)點(diǎn)。這兩個(gè)點(diǎn)到期望偏振態(tài)和期望的非正交偏振態(tài)的夾角都是相等的。隨機(jī)選擇一個(gè)點(diǎn)作為實(shí)時(shí)偏振態(tài)進(jìn)行試探性補(bǔ)償，如果誤碼率減小，則可判定選擇正確，反之，另一點(diǎn)即是實(shí)時(shí)偏振態(tài)。根據(jù)判定的實(shí)時(shí)偏振態(tài)，按照通用的方法調(diào)節(jié)偏振控制裝置，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)光子偏振態(tài)的補(bǔ)償。
[0037]具體實(shí)施時(shí):
[0038]采用BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，用兩組線偏振態(tài)編碼，分別是0°和90