本發(fā)明屬于量子信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種量子密鑰分發(fā)的實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

量子密鑰分發(fā)可以保證無條件安全的信息傳輸，因而是量子信息技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。它的編碼方式主要有相位編碼和偏振編碼兩種。在偏振編碼光纖傳輸?shù)牧孔用荑€分發(fā)中，由于受到光纖雙折射效應(yīng)的影響，光的偏振會發(fā)生隨機(jī)變化。此時(shí)，接收方如果按照約定的偏振方向進(jìn)行測量就很可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的探測結(jié)果。與偏振相比，光的相對相位在光纖傳輸過程則表現(xiàn)得非常穩(wěn)定。因此，相位編碼方式是光纖量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的主要編碼方式。

在相位編碼量子密鑰分發(fā)過程中，光脈沖通過收發(fā)雙方的不等臂干涉環(huán)后會被分為4個(gè)小脈沖，其中2個(gè)脈沖在時(shí)間上是重疊的，它們之間的相位差決定了最后的干涉結(jié)果。收發(fā)雙方各自隨機(jī)地從0，π/2，π和3π/2中選擇一個(gè)相位施加到這兩個(gè)干涉脈沖之間，從而可以共同決定最終的干涉結(jié)果。其中，{0、π}和{π/2、3π/2}為兩組不同的基矢，并且0和π/2被編碼為經(jīng)典比特0，其余相位被編碼為經(jīng)典比特1。收發(fā)雙方在測量結(jié)果出來之后可公布他們各自所選擇的基矢，而后只保留基矢相同的測量結(jié)果，這一過程被稱為“對基”，對基后剩余的密鑰稱為“篩后密鑰”。由于量子力學(xué)的限制，加上收發(fā)雙方僅公布基矢信息，竊聽者無法得知收發(fā)雙方共享的經(jīng)典比特。

然而，收發(fā)雙方各自的不等臂干涉環(huán)所處環(huán)境存在溫度的變化、機(jī)械振動等，使得收發(fā)雙方的干涉環(huán)的臂長差發(fā)生隨機(jī)變化，這將導(dǎo)致兩個(gè)干涉脈沖之間的相位差隨時(shí)間隨機(jī)的緩慢漂移，最終導(dǎo)致不穩(wěn)定的干涉結(jié)果。為此，相位編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)必須具備相位補(bǔ)償能力。傳統(tǒng)的相位補(bǔ)償主要采用粗略相位掃描和精細(xì)相位掃描結(jié)合的方法，這種方式存在如下問題：(a)相位掃描過程不能和量子密鑰分發(fā)過程并行進(jìn)行，因而掃描過程運(yùn)行時(shí)必須中斷量子密鑰分發(fā)；(b)掃描步數(shù)相對較長，將占用部分系統(tǒng)時(shí)間開銷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種量子密鑰分發(fā)的實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償系統(tǒng)和方法，該量子密鑰分發(fā)的實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償系統(tǒng)和方法可以很好地解決現(xiàn)有技術(shù)中測試系統(tǒng)昂貴、求解耗時(shí)、模型精度不高的問題。

為達(dá)到上述要求，本發(fā)明采用閉環(huán)反饋控制對相位漂移進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。閉環(huán)反饋控制包含三個(gè)主要部分：反饋信號、控制變量及控制算法。

反饋信號來自量子密鑰分發(fā)過程中實(shí)時(shí)估計(jì)的誤碼率。相位漂移與兩個(gè)干涉脈沖的條紋可見度V直接相關(guān)，而(1-V)/2正好是量子密鑰分發(fā)的光學(xué)本底誤碼，該誤碼不僅是誤碼率的主要部分，也是引起誤碼率發(fā)生變化的主要因素。因此，實(shí)時(shí)估計(jì)的誤碼率可以間接地準(zhǔn)確地反應(yīng)相位漂移，將誤碼率作為閉環(huán)反饋信號。

控制變量來自于接收方相位調(diào)制器的偏置電壓。假設(shè)收發(fā)雙方的調(diào)相值分別是和而干涉環(huán)漂移和偏置電壓對應(yīng)的相位分別是和那么干涉脈沖的相對相位可表示為為了保證干涉結(jié)果不受隨機(jī)漂移的影響，只有不斷地調(diào)整偏置電壓以改變

控制算法采用梯度算法。由于偏置電壓和量子密鑰誤碼率之間是正弦函數(shù)關(guān)系，因而采用局域收斂速度較快的梯度算法可以非常迅速地降低誤碼率。

基于上述閉環(huán)反饋控制思路，本發(fā)明提供一種量子密鑰分發(fā)的實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償方法，包括以下步驟：

S1、初始化量子密鑰分發(fā)基本傳輸參數(shù)和偏置電壓；

S2、估計(jì)當(dāng)前量子密鑰誤碼率；

S3、判斷當(dāng)前量子密鑰誤碼率是否超過設(shè)定的上限；

S4、如果沒有超過，則估計(jì)下一個(gè)量子密鑰誤碼率，執(zhí)行步驟S3；

S5、如果超過，則在偏置電壓上附加一個(gè)擾動量，所述擾動量輸出至光相位調(diào)制器后引起當(dāng)前量子密鑰誤碼率的變化，得到量子密鑰誤碼率的變化量；

S6、根據(jù)附加擾動量前的量子密鑰誤碼率和所述變化量估計(jì)附加擾動量后的量子密鑰誤碼率，并且根據(jù)擾動量和所述變化量估計(jì)梯度；

S7、根據(jù)所述梯度優(yōu)化當(dāng)前偏置電壓，執(zhí)行步驟S2。

提供一種量子密鑰分發(fā)的實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償系統(tǒng)，包括：

量子密鑰誤碼率實(shí)時(shí)估計(jì)模塊，完成量子密鑰誤碼率的實(shí)時(shí)估計(jì)；

偏置電壓輸出模塊，完成偏置電壓的輸出與保持；

控制算法模塊，根據(jù)實(shí)時(shí)估計(jì)的量子密鑰誤碼率動態(tài)優(yōu)化偏置電壓，從而降低量子密鑰誤碼率；該模塊的控制算法基于梯度算法。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該量子密鑰分發(fā)的實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償系統(tǒng)和方法具有的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)利用了量子密鑰分發(fā)過程需要實(shí)時(shí)估計(jì)誤碼率的特點(diǎn)，再結(jié)合梯度控制算法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的相位補(bǔ)償，并且相位補(bǔ)償與量子密鑰分發(fā)并行進(jìn)行，因此相位補(bǔ)償不會占用量子密鑰分發(fā)的時(shí)間，進(jìn)而可以提高安全密鑰的產(chǎn)出；

(2)控制結(jié)構(gòu)簡單，降低了整個(gè)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，在這些附圖中使用相同的參考標(biāo)號來表示相同或相似的部分，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的框架示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本申請的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對本申請作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。為簡單起見，以下描述中省略了本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的某些技術(shù)特征。

本發(fā)明提供一種量子密鑰分發(fā)的實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償方法，如圖1所示，包括以下步驟：

S1、初始化量子密鑰分發(fā)基本傳輸參數(shù)和偏置電壓；

S2、估計(jì)當(dāng)前量子密鑰誤碼率；

該步驟具體包括：

S21、當(dāng)量子信號態(tài)產(chǎn)生測量結(jié)果時(shí)，接收方存儲測量結(jié)果對應(yīng)的時(shí)間信息、第一基矢信息以及第一經(jīng)典比特，并將時(shí)間信息和第一基矢信息傳送給發(fā)送方；

S22、發(fā)送方按照接收到的時(shí)間信息找到自身的第二基矢信息，并與接收到的第一基矢信息對比，判斷第一基矢信息與第二基矢信息是否相同；

S23、如果不同，則發(fā)送方不做后續(xù)處理；

S24、如果相同，則以第一概率將時(shí)間信息、第二基矢信息和第二經(jīng)典比特傳送給接收方；以第二概率將時(shí)間信息和第二基矢信息傳送給接收方，而將第二經(jīng)典比特保存在本地，以備后續(xù)的后處理過程；所述第一概率與第二概率的和為1；

S25、接收方根據(jù)發(fā)送方發(fā)回的時(shí)間信息找到自身的第一經(jīng)典比特，判斷發(fā)送方是否附帶了第二經(jīng)典比特；

S26、如果沒有附帶，則接收方將第一經(jīng)典比特保存在本地，以備后續(xù)的后處理過程；

S27、如果附帶，則接收方將第一經(jīng)典比特與第二經(jīng)典比特進(jìn)行對比；

S28、每隔一段時(shí)間統(tǒng)計(jì)第一經(jīng)典比特與第二經(jīng)典比特不相同的情況所占的比例，得到量子密鑰誤碼率。

真實(shí)的誤碼率只能通過公布部分篩后密鑰來估計(jì)，公布的比例通常是10％～20％。目前，1GHz量子分發(fā)系統(tǒng)經(jīng)過50Km的光纖傳輸仍然可以獲得1Mbit/s的安全密鑰生成速率。安全密鑰是從篩后密鑰中提取出來的，因而篩后密鑰的生成速率通常是安全密鑰生成速率的數(shù)倍。這里以0.1Mbit/s的篩后密鑰生成速率為例，系統(tǒng)每0.1秒就可以公布1～2Kbit篩后密鑰用于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地估計(jì)誤碼率。這意味著，控制系統(tǒng)每0.1s就可以生成一個(gè)反饋信號。

S3、判斷當(dāng)前量子密鑰誤碼率是否超過設(shè)定的上限；一般而言，誤碼率上限的設(shè)定需要考慮量子密鑰分發(fā)正常運(yùn)行時(shí)的誤碼率，過高則會降低安全密鑰生成速率，過低則梯度算法可能長時(shí)間無法將誤碼率降低至上限以下；

S4、如果沒有超過，且量子密鑰分發(fā)未結(jié)束，則估計(jì)下一個(gè)量子密鑰誤碼率，執(zhí)行步驟S3；

S5、如果超過，則在偏置電壓上附加一個(gè)擾動量，所述擾動量輸出至光相位調(diào)制器后引起當(dāng)前量子密鑰誤碼率的變化，得到量子密鑰誤碼率的變化量；

S6、根據(jù)附加擾動量前的量子密鑰誤碼率和所述變化量估計(jì)附加擾動量后的量子密鑰誤碼率，并且根據(jù)擾動量和所述變化量估計(jì)梯度；

S7、根據(jù)所述梯度優(yōu)化當(dāng)前偏置電壓，執(zhí)行步驟S2。

該步驟具體為：令當(dāng)前偏置電壓減去一個(gè)與所述梯度成比例的數(shù)值，得到優(yōu)化的偏置電壓，執(zhí)行步驟S2；所述比例系數(shù)為負(fù)數(shù)。優(yōu)化的偏置電壓如果超出實(shí)際可輸出電壓范圍，則立即將偏置電壓重置到實(shí)際可輸出電壓范圍內(nèi)，而后執(zhí)行步驟S2。

上述步驟S5-S7屬于梯度算法。在傳統(tǒng)相位補(bǔ)償方法中，粗略的逐點(diǎn)相位掃描結(jié)合精細(xì)的逐點(diǎn)相位掃描需要數(shù)十步，甚至上百步。而在不考慮其他噪聲的情況下，梯度算法平均僅需迭代十幾步就能將誤碼率從50％迅速降低至1％以下。實(shí)時(shí)跟蹤誤碼率的緩慢變化時(shí)，算法所需迭代次數(shù)還將顯著降低。如前所述，每個(gè)估計(jì)的誤碼率的生成時(shí)間可保守地定為0.1s，相比之下，偏置電壓的響應(yīng)時(shí)間完全可以忽略不計(jì)。這樣，控制算法每1s就可以完成10次迭代。而通常相位漂移是相對緩慢的，漂移時(shí)間都在分鐘甚至小時(shí)量級。這意味著控制算法完全可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償相位漂移，即無需中斷量子密鑰分發(fā)過程。

一種量子密鑰分發(fā)的實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償系統(tǒng)，如圖2所示，包括以下三個(gè)模塊：

量子密鑰誤碼率實(shí)時(shí)估計(jì)模塊，完成量子密鑰誤碼率的實(shí)時(shí)估計(jì)；

該模塊包括以下兩個(gè)單元：

信息交互單元，完成接收方和發(fā)送方基矢信息以及經(jīng)典比特的交互；

誤碼率分析單元，統(tǒng)計(jì)接收方和發(fā)送方經(jīng)典比特不相同的情況所占的比例，估計(jì)量子密鑰誤碼率。

偏置電壓輸出模塊，完成偏置電壓的輸出與保持；

該模塊包括：

數(shù)字信號輸出單元，完成數(shù)字信號的輸出，該單元包括多個(gè)數(shù)字I/O口，且每個(gè)數(shù)字I/O口擁有不同的權(quán)重，以配合數(shù)模轉(zhuǎn)換；

數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，將多路數(shù)字I/O信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；

信號放大單元，將模擬電壓信號放大得到偏置電壓，并將偏置電壓輸出至光相位調(diào)制器；

光相位調(diào)制器，將偏置電壓轉(zhuǎn)換為對光相位的調(diào)制。

控制算法模塊，根據(jù)實(shí)時(shí)估計(jì)的量子密鑰誤碼率動態(tài)優(yōu)化偏置電壓，從而降低量子密鑰誤碼率；該模塊的控制算法基于梯度算法；

該模塊包括以下五個(gè)單元：

初始化單元，完成量子密鑰分發(fā)基本傳輸參數(shù)以及偏置電壓的初始化；

誤碼率判斷單元，用于判斷量子密鑰誤碼率是否超過設(shè)定的上限；

偏置電壓加擾單元，向偏置電壓附加一個(gè)微小的擾動量，并輸出至光相位調(diào)制器；

梯度估計(jì)單元，用于根據(jù)偏置電壓附加的擾動量和附加擾動量后引起的變化量估計(jì)梯度；

偏置電壓優(yōu)化單元，根據(jù)梯度估計(jì)單元得到的梯度優(yōu)化偏置電壓，并將優(yōu)化后的偏置電壓輸出至光相位調(diào)制器。

以上所述實(shí)施例僅表示本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能理解為對本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以所述權(quán)利要求為準(zhǔn)。