一種基于擴展卡爾曼濾波降低qkd系統(tǒng)誤碼率的系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及量子通信的技術領域，特別是設及一種基于擴展卡爾曼濾波降低量子 密鑰分發(fā)(如ant皿K巧Distribution,QKD)系統(tǒng)誤碼率的方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 量子通信W量子物理學與密碼學為基礎，結合海森堡測不準原理和不可克隆定理 等基本特性，因其容量大、安全性高、對竊聽行為可檢測等優(yōu)點為信息的安全傳輸提供了新 的思路，成為一種新興的通信技術。而對于量子通信的誤碼問題，主要有兩個來源：一個是 由于竊聽者的竊聽行為造成的；另一個是系統(tǒng)的不穩(wěn)定性造成誤碼，屬于量子密鑰分發(fā)技 術上的問題。
[0003] 現(xiàn)有解決誤碼率的技術方案主要包括W下兩種：
[0004] (1)首先在主動相位補償?shù)碾A段，竊聽者通過調節(jié)插入在長程光纖中相位調制器 改變發(fā)送端發(fā)送的單光子波包之間的相位差，使發(fā)送者的四個工作點的量子態(tài)變成非標準 BB84狀態(tài);其次在量子密鑰分發(fā)階段，竊聽者對發(fā)送端發(fā)送給接收端的量子態(tài)進行截獲測 量并重發(fā)。但是，該方法主要是從竊聽行為的安全性考慮，并沒有解決相位漂移問題，且只 采集了四個特征性的工作點，沒有做到大量數(shù)據(jù)驗證，結果的精準度不能得到保證。
[0005] (2)首先進行相位估計，利用求互相關方式計算相位漂移的角度;其次進行相位補 償，根據(jù)估計的相位漂移值，對數(shù)據(jù)進行相位補償。但是，該方法用互相關性求相位漂移角 度，每次至少需要計算完一組數(shù)據(jù)才可W得出相位差，實時性差，效率低，且運行時間長，導 致精確度低，不適合進行長距離傳輸。
[0006] Q邸系統(tǒng)是一種新興的通信技術，已經(jīng)廣泛應用于軍事、電子商務等領域。但QKD系 統(tǒng)在信息傳輸過程中，容易受到外界環(huán)境的影響，尤其是相位漂移問題，嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和抗干擾性，使得信息傳輸產(chǎn)生較大的誤碼率。
[0007] 現(xiàn)有技術中，已有多種技術方案來解決QKD系統(tǒng)相位漂移的問題。如申請?zhí)枮?201410179045.X，發(fā)明名稱為《一種基于單向量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)主動相位補償?shù)墓舴椒ā?公開一種基于單向量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)主動相位補償?shù)墓舴椒?，包括兩部?第一部分，在 主動相位補償?shù)碾A段，Eve通過在量子信道中插入相位調制器，對其進行選擇性相位調制， W改變Alice發(fā)送的量子態(tài)所攜帶的相位信息，使其變成非標準BB84狀態(tài);第二部分，在量 子密鑰分發(fā)階段Eve做攻擊，Eve截獲Alice發(fā)送給Bob的量子態(tài)，并選擇測量算子M0進行半 正定算子P0VM測量，在得到測量結果后，Κα:β的比例隨機的發(fā)送標準的BB84狀態(tài)0和給 Bob,其中α+β=1。再如，申請?zhí)枮?01410567665.0、發(fā)明名稱為《一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相 位補償方法》公開一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，包括步驟如下:步驟Α:相位估計步 驟，是指利用求互相關方式計算相位漂移的角度;步驟Β:相位補償步驟，是指根據(jù)步驟A所 估計的相位漂移值，對數(shù)據(jù)進行相位補償。
[000引然而，上述現(xiàn)有的解決Q邸系統(tǒng)相位漂移方案中，若采集的數(shù)據(jù)點不夠，則沒有說 服力，而且會產(chǎn)生更大的誤碼率;若采集的數(shù)據(jù)點足夠多，則計算量大，每次都需對一組數(shù) 據(jù)進行計算結束，才可得出相位漂移值，導致得出相位漂移結果的時間長，實時性差，不能 將結果實時反饋給系統(tǒng)，增大了系統(tǒng)的誤差。

【發(fā)明內容】

[0009] 鑒于W上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于擴展卡爾曼濾波 降低QKD系統(tǒng)誤碼率的系統(tǒng)及方法，利用擴展卡爾曼濾波算法來實時獲取相位漂移參數(shù)，利 用相位與電壓的關系，將最終的電壓差通過反饋鏈路送達接收端相位調制器，從而控制相 位調制器相位的變化，達到實時的主動相位補償，實時性好，收斂速度快，適合于高精度要 求的動態(tài)系統(tǒng)。
[0010] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種利用卡爾曼濾波降低QKD系統(tǒng) 誤碼率的系統(tǒng)，包括發(fā)送端和接收端;所述發(fā)送端包括準單光子源生成器、第一相位調制 器、第一偏振分束器和第二偏振分束器;所述準單光子源生成器用于生成準單光子源，所述 第一偏振分束器用于將單光子脈沖序列分解為正交的第一光量子態(tài)和第二光量子態(tài)，并分 別傳送至第一光子支路和第二光子支路;所述第一相位調制器用于對第一光子支路的第一 光量子態(tài)進行相位編碼調制;所述第二偏振分束器用于將第一光子支路的調制后的第一光 量子態(tài)和第二光子支路的第二光量子態(tài)相干合成為脈沖序列，并傳送至光纖傳輸;所述接 收端包括第二相位調制器、第Ξ偏振分束器、第四偏振分束器、第一單光子探測器、第二單 光子探測器和擴展卡爾曼濾波模塊;所述第Ξ偏振分束器用于將從光纖接收的脈沖序列分 解為正交的第一光量子態(tài)和第二光量子態(tài)，并分別傳送至第一光子支路和第二光子支路； 所述第二相位調制器用于對第二光子支路的第二光量子態(tài)進行相位編碼調制;所述第四偏 振分束器用于將第一光子支路的第一光量子態(tài)和第二光子支路的調制后的第二光量子態(tài) 進行相干合成，并將輸出的光子送入所述第一單光子探測器或所述第二單光子探測器;所 述第一單光子探測器和所述第二單光子探測器用于探測輸出的單光子數(shù)，從而得到QKD系 統(tǒng)的測量值;所述擴展卡爾曼濾波模塊用于根據(jù)對所述第一單光子探測器和所述第二單光 子探測器輸出的單光子數(shù)和所述第二相位調制器的調制電壓進行實時采樣，實時獲取相位 漂移參數(shù)，并反饋至所述第二相位調制器。
[0011] 于本發(fā)明一實施例中，經(jīng)過所述第四偏振分束器相干合成后，第一光量子態(tài)和第 二光量子態(tài)之間相位差若在0~η之間，則輸出的光子進入所述第一單光子探測器，若在-η ~0之間，則輸出的光子進入所述第二單光子探測器。
[0012] 同時，本發(fā)明還提供一種基于擴展卡爾曼濾波降低QKD系統(tǒng)誤碼率的方法，包括W 下步驟：
[0013] 步驟S1、通過準單光子源生成器生成準單光子源；
[0014] 步驟S2、通過第一偏振分束器將光脈沖序列分解為兩個正交的第一光量子態(tài)和第 二光量子態(tài)，并分別傳送至第一光子支路和第二光子支路;通過第一相位調制器對第一光 子支路的第一光量子態(tài)進行相位編碼調制;通過第二偏振分束器將第一光子支路的調制后 的第一光量子態(tài)和第二光子支路的第二光量子態(tài)相干合成為脈沖序列，并傳送至光纖傳 輸；
[0015] 步驟S3、通過第Ξ偏振分束器將從光纖接收的脈沖序列分解為正交的第一光量子 態(tài)和第二光量子態(tài)，并分別傳送至第一光子支路和第二光子支路;通過第二相位調制器對 第二光子支路的第二光量子態(tài)進行相位編碼調制;通過第四偏振分束器將第一光子支路的 第一光量子態(tài)和第二光子支路調制后的第二光量子態(tài)進行相干合成，并將輸出的光子送入 第一單光子探測器或第二單光子探測器；
[0016] 步驟S4、W至少一個調制周期的相位范圍對第二相位調制器的調制電壓進行逐點 掃描，從最小電壓一直掃描到最大電壓，在掃描的每個調制電壓上都進行N個光脈沖的計數(shù) 累計，并記錄該調制電壓點對應的光子累計數(shù)值；當完成一個調制周期上的所有電壓點的 掃描后，得到一組電壓單光子數(shù)；
[0017] 步驟S5、根據(jù)電壓單光子數(shù)和QKD系統(tǒng)的干設輸出方程得到系統(tǒng)方程和量測方程， 再利用擴展卡爾曼濾波算法進行計算，W得到某時刻的相位漂移參數(shù)；
[0018] 步驟S6、若I巧,|〉0,則將相位漂移參數(shù)值熱通過反饋鏈路送達接收端的第二相位調 制器，W進行相位漂移的實時主動補償;若I妍| = 〇,不作處理。
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