误码率和不确定率联合反馈的光子偏振态补偿方法

摘要

一种误码率和不确定率联合反馈的光子偏振态补偿方法，量子密钥分发系统每次在长度为M的原始密钥中公布N位用于统计误码率，其中N远小于M，在原始密钥所在的有效探测序列中公布N'位伪密钥用于统计不确定率，利用误码率和不确定率在Poincaré球估计接收端的光子偏振态，实现同时补偿两个非正交的偏振态|+>和|H>。本发明的方法能在不影响量子密钥分发系统通信效率和距离、不增加系统成本的情况下对两个非正交的光子偏振态进行实时精确补偿。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子偏振态补偿技术，尤其是使用偏振编码的量子密钥分发系统，具体的说是一种误码率和不确定率联合反馈的光子偏振态补偿方法。

背景技术

目前，公知的量子密钥分发系统使用的偏振补偿方案主要有双向光路偏振自补偿、中断式补偿、时分复用补偿和波分复用补偿[光纤量子密钥分发系统的几种偏振补偿技术，王剑，激光与光电子学进展]。基于双向光路结构偏振自补偿方案由于无需借助外部设备，仅利用光路结构就可以实现偏振自补偿，但是由于光子往返两次通过光纤，使得传输距离受限，系统效率相对较低，且易受攻击。中断式偏振补偿易于实现，但是效率低，大约要用10％的时间进行偏振补偿。时分复用偏振补偿方案由于参考光与信号光波长相同，因此可以通过补偿参考光达到对信号光的精确补偿，但是为了减小参考光对量子信号的干扰，需要系统在提高同步信号的精度和减小探测器门脉冲的宽度上付出较大成本。波分复用偏振补偿方案可以避免参考光的干扰，在一定程度上降低误码率，具有较好的稳定性，但是由于波长不同，偏振态演化也不同，难以依据参考光对信号光实现精确补偿，特别是通过一个电动偏振控制器只能尽可能地补偿量子密钥分发系统的两个非正交偏振态。因此，现有量子密钥分发系统的偏振补偿方法无法在兼顾效率、距离和成本的情况下对两个非正交的光子偏振态进行精确补偿。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有量子密钥分发系统的偏振补偿方法无法在兼顾效率、距离和成本的情况下对两个非正交的光子偏振态进行精确补偿的不足，本发明提出一种误码率和不确定率联合反馈的光子偏振态补偿方法。

本发明的技术方案是：

一种误码率和不确定率联合反馈的光子偏振态补偿方法，它包括以下步骤：

将量子密钥分发系统期望接收的光子偏振态用Poincaré球上的一个点表示，实时偏振态与期望偏振态的夹角就对应当前的误码率，实时偏振态与期望的非正交偏振态的夹角就对应当前的不确定率；

统计发送端和接收端对基成功时光子偏振态对自身偏振态的误码率，在Poincaré球上将实时偏振态定位到相对期望偏振态的夹角对应前述误码率的圆上；

统计发送端和接收端对基失败时光子偏振态对期望的非正交偏振态的不确定率，在Poincaré球上进一步将实时偏振态定位到前述圆上的两个点；

前述两个点到期望偏振态和期望的非正交偏振态的夹角都是相等的，随机选择一个点作为实时偏振态进行试探性补偿，如果误码率减小，则可判定选择正确，反之，另一点即是实时偏振态；

根据判定的实时偏振态，按照通用的方法调节偏振控制装置，实现对量子密钥分发系统光子偏振态的补偿。

本发明中，量子密钥分发系统每次在长度为M的原始密钥中公布N位用于统计误码率，其中N远小于M，在原始密钥所在的有效探测序列中公布N位伪密钥用于统计不确定率，利用误码率和不确定率在Poincaré球估计接收端的光子偏振态，实现同时补偿两个非正交的偏振态|+>和|H>，具体包括以下步骤：

(a)、量子密钥分发系统的接收端在长度为M的原始密钥所在的有效探测序列内随机挑选N’位对基失败的探测结果，称为伪密钥，通过经典信道向发送端公开，其中N’≥N；

(b)、将非正交的两个偏振态|+>和|H>分别标记为A和B；

(c)、将A在Poincaré球上对应的点记为A₀，A₀是A在接收端的期望偏振态，将B在Poincaré球上对应的点记为B₀，B₀是B在接收端的期望偏振态，A₀与B₀的夹角，即相应半径的夹角，取值范围为(0,π)；

(d)、在公开的N位密钥中，统计A的误码率为E_A；

(e)、在Poincaré球上作圆C_E，使得该圆C_E上的点与A₀的夹角的半角的余弦值为(1-E_A)的正平方根；

(f)、在公开的N’位伪密钥中，统计发送端编码为A但接收端探测为B的概率，即A相对B的不确定率，记为U_A；

(g)、在Poincaré球上作圆C_U，使得该圆C_U上的点与B₀的夹角的半角的余弦值为U_A的正平方根；

(h)、将C_E记为C_EA，将C_U记为C_UA，然后将非正交的偏振态|+>和|H>分别标记为B和A，重复步骤(c)～(g)，将得到的将C_E记为C_EB，将C_U记为C_UB；

(i)、按照下述情况判定实时偏振态，采取通用的方法调节偏振控制装置，实现对量子密钥分发系统光子偏振态的补偿：

如果C_EA与C_UA、C_EB与C_UB均仅有1个交点，则将这两个点分别作为A在接收端的实时偏振态A₁和B在接收端的实时偏振态B₁进行补偿，然后转到(a)进行下一轮补偿；

如果C_EA与C_UA有1个交点，C_EB与C_UB有2个交点，则先将C_EA与C_UA的交点作为A在接收端的实时偏振态A₁，接着对C_EB与C_UB的2个交点进行试探性补偿来判定B在接收端的实时偏振态B₁，然后去除试探性补偿，根据选定的A₁和B₁进行补偿，然后转到(a)进行下一轮补偿；

如果C_EA与C_UA有1个交点，C_EB与C_UB没有交点，则先将C_EA与C_UA的交点作为A在接收端的实时偏振态A₁，接着在C_EB与C_UB上取相互距离最近的2个点，从中选取与A₁的夹角最接近直角的点作为B在接收端的实时偏振态B₁，根据选定的A₁和B₁进行补偿，然后转到(a)进行下一轮补偿；

如果C_EA与C_UA、C_EB与C_UB均有2个交点，则先对误码率较大的两个点进行试探性补偿来判定一个实时偏振态A₁或B₁，接着从误码率较小的两个点中选择与已判定的A₁或B₁的夹角最接近直角的点作为另一个实时偏振态B₁或A₁，然后去除试探性补偿，根据选定的A₁和B₁进行补偿，然后转到(a)进行下一轮补偿；

如果C_EA与C_UA有2个交点，C_EB与C_UB有1个交点，则先将C_EB与C_UB的交点作为B在接收端的实时偏振态B₁，接着对C_EA与C_UA的2个交点进行试探性补偿来判定A在接收端的实时偏振态A₁，然后去除试探性补偿，根据选定的A₁和B₁进行补偿，然后转到(a)进行下一轮补偿；

如果C_EA与C_UA有2个交点，C_EB与C_UB没有交点，则先对C_EA与C_UA的2个交点采用试探性补偿来判定A的实时偏振态A₁，接着在C_EB与C_UB上取相互距离最近的2个点，从中选取与A₁的夹角最接近直角的点作为B在接收端的实时偏振态B₁，然后去除试探性补偿，根据选定的A₁和B₁进行补偿，然后转到(a)进行下一轮补偿；

如果C_EA与C_UA、C_EB与C_UB均没有交点，此时两组圆各有2个相互距离最近的点，则先选取相互距离更近的位于C_EA或C_EB上的那个点作为一个实时偏振态A₁或B₁，接着从另一组相互距离最近的2个点中选择与已判定的A₁或B₁的夹角最接近直角的点作为另一个实时偏振态B₁或A₁，根据选定的A₁和B₁进行补偿，然后转到(a)进行下一轮补偿；

如果C_EA与C_UA没有交点，C_EB与C_UB有1个交点，则将C_EB与C_UB的交点作为B在接收端的实时偏振态B₁，接着在C_EA与C_UA上取相互距离最近的2个点，从中选择与B₁的夹角最接近直角的点作为A在接收端的实时偏振态A₁，根据选定的A₁和B₁进行补偿，然后转到(a)进行下一轮补偿；

如果C_EA与C_UA没有交点，C_EB与C_UB有2个交点，则先对C_EB与C_UB的2个交点采用试探性补偿来判定B的实时偏振态B₁，接着在C_EA与C_UA上取相互距离最近的2个点，从中选取与B₁的夹角最接近直角的点作为A在接收端的实时偏振态A₁，然后去除试探性补偿，根据选定的A₁和B₁进行补偿，然后转到(a)进行下一轮补偿。

本发明中，对2个交点进行试探性补偿判定实时偏振态的方法是随机选取1个交点向2个交点的中点补偿，如果该偏振态的误码率减小，则判定选取的点为实时偏振态，反之，则判定另一个点为实时偏振态。

本发明中，去除试探性补偿的方法是将偏振补偿装置还原到试探性补偿前的状态。

本发明的有益效果：

本发明的方法能在不影响量子密钥分发系统通信效率和距离、不增加系统成本的情况下对两个非正交的光子偏振态进行实时精确补偿。

附图说明

图1是本发明的Poincaré球结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明将量子密钥分发系统期望接收的光子偏振态用Poincaré球上的一个点表示，实时偏振态与期望偏振态的夹角就对应当前的误码率，实时偏振态与期望的非正交偏振态的夹角就对应当前的不确定率。通过统计发送端和接收端对基成功时光子偏振态对自身偏振态的误码率，在Poincaré球上将实时偏振态定位到相对期望偏振态的夹角对应前述误码率的圆上。通过统计发送端和接收端对基失败时光子偏振态对期望的非正交偏振态的不确定率，在Poincaré球上进一步将实时偏振态定位到前述圆上的两个点。这两个点到期望偏振态和期望的非正交偏振态的夹角都是相等的。随机选择一个点作为实时偏振态进行试探性补偿，如果误码率减小，则可判定选择正确，反之，另一点即是实时偏振态。根据判定的实时偏振态，按照通用的方法调节偏振控制装置，就可实现对量子密钥分发系统光子偏振态的补偿。

具体实施时：

采用BB84协议的量子密钥分发系统，用两组线偏振态编码，分别是0°和90°、45°和135°，可见两组偏振态之间是非正交的，而每组的两个偏振态之间是正交的。这样的量子密钥分发系统进行偏振补偿，要同时补偿两个非正交的偏振态，例如0°和45°，在图1的Poincaré球上，0°对应点A₀，45°对应点B₀。

评估误码率时在长度为M的原始密钥中公开密钥长度为N(远小于M)的量子密钥分发系统，采用误码率和不确定率联合反馈的光子偏振态补偿方法，同时补偿两个非正交的偏振态0°和45°，包括以下步骤：

(a)、接收端在长度为M的原始密钥所在的有效探测序列内随机挑选N’位对基失败的探测结果，称为伪密钥，通过经典信道向发送端公开；

(b)、将0°标记为A，将45°标记为B；

(c)、将A在Poincaré球上对应的点记为A₀，A₀是A在接收端的期望偏振态，将B在Poincaré球上对应的点记为B₀，B₀是B在接收端的期望偏振态，A₀与B₀的夹角，即相应半径的夹角，取值范围为(0,π)；

(d)、在公开的N位密钥中，统计A的误码率为E_A；

(e)、在Poincaré球上作圆C_E，使得C_E上的点与A₀的夹角的半角的余弦值为(1-E_A)的正平方根；

(f)、在公开的N’位伪密钥中，统计发送端编码为A但接收端探测为B的概率，即A相对B的不确定率，记为U_A；

(g)、在Poincaré球上作圆C_U，使得C_U上的点与B₀的夹角的半角的余弦值为U_A的正平方根；

(h)、将C_E记为C_EA，将C_U记为C_UA，然后将0°标记为B，将45°标记为A，重复步骤(c)～(g)，将得到的C_E记为C_EB，将得到的C_U记为C_UB，如图1所示；

(i)、因为C_EA与C_UA、C_EB与C_UB均有2个交点，而C_EB对应的误码率较大，所以先对C_EB与C_UB的2个交点进行试探性补偿来判定接收端的实时偏振态B₁，接着从C_EA与C_UA的2个交点中选择与已判定的B₁的夹角最接近直角的点作为另一个实时偏振态A₁，然后去除试探性补偿，根据选定的A₁和B₁进行补偿，然后转到(a)进行下一轮补偿；

本发明对C_EB与C_UB的2个交点进行试探性补偿判定实时偏振态的方法为：随机选取1个交点向2个交点的中点补偿，如果误码率减小，则判定选取的点为实时偏振态，反之，则判定另一个点为实时偏振态。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。