支路1和支路2通過光纖傳輸?shù)浇邮斩薆ob 后，支路1不再進(jìn)行調(diào)制，支路2通過第二相位調(diào)制器PM2進(jìn)行調(diào)制，第二相位調(diào)制器PM2將相 位增加 Φ.2,運(yùn)由接收端控制;最后將兩條支路進(jìn)行相干合成，將輸出的光子打在第一單光子 探測器化或第二單光子探測器化上。
[0064] 也就是說，在接收端Bob處，相互干設(shè)支路的路徑分別為：支路1:LD-A-PBS1-L1-PM1-PBS2-光纖一 PBS3 - M2-PBS4;光路 2: LD-A-PBS1 - Ml-PBS2-光纖一 PBS3- L2-PM2-PBS4，W上是一次單光子密鑰分發(fā)的過程。
[0065] 在理想情況下，只需發(fā)送端和接收端的相位調(diào)制器PMi、PM2相位差和單光子探測器 D1、D2最終輸出的單光子數(shù)即得到干設(shè)結(jié)果。但在實(shí)際情況下，外部環(huán)境溫度的變化，會(huì)導(dǎo) 致光纖長度產(chǎn)生變化，引起單光子干設(shè)儀臂長產(chǎn)生不對(duì)稱。此時(shí)兩路正交偏振的光子脈沖 走的路程也不再相同，QKD系統(tǒng)不可避免會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，產(chǎn)生新的相位差。QKD系統(tǒng)的干設(shè)對(duì)比 度隨之降低，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，引起誤碼。運(yùn)個(gè)額外的相位差即稱為相位漂移。
[0066] 因此，為改善相位漂移，QKD系統(tǒng)中通過擴(kuò)展卡爾曼濾波模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，實(shí)時(shí) 獲取相位漂移參數(shù)，并反饋至第二相位調(diào)制器，W對(duì)QKD系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而克服相位漂移 帶來的誤差。
[0067] 擴(kuò)展卡爾曼濾波適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，分為時(shí)間更新和量測更新兩個(gè) 階段，主要由五個(gè)核屯、方程實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明將擴(kuò)展卡爾曼濾波運(yùn)用于QKD系統(tǒng)，進(jìn)行采樣完成 后，可根據(jù)擴(kuò)展卡爾曼濾波遞推算法的特性，實(shí)時(shí)的獲取相位漂移參數(shù)，W克服QKD系統(tǒng)相 位漂移造成的誤碼問題。
[0068] 參照?qǐng)D3,本發(fā)明的利用卡爾曼濾波降低QKD系統(tǒng)誤碼率的方法包括下步驟：
[0069] 步驟S1、通過由半導(dǎo)體激光器和可調(diào)光衰減器組成的準(zhǔn)單光子源生成器生成準(zhǔn)單 光子源。
[0070] 具體地，所生成的準(zhǔn)單光子源即為QKD系統(tǒng)的信源部分。
[0071] 步驟S2、通過第一偏振分束器將光脈沖序列分解為兩個(gè)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(diào)制器對(duì)第一光 子支路的第一光量子態(tài)進(jìn)行相位編碼調(diào)制;通過第二偏振分束器將第一光子支路的調(diào)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。
[0072] 其中，采用第一相位調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，用調(diào)制電壓脈沖將編碼序列加載到第一 光子支路上，將發(fā)送端的第一相位調(diào)制器P化調(diào)制電壓固定為VI，此時(shí)對(duì)應(yīng)相位戶i作為接收 端的參考相位，并設(shè)定Vi=〇,祭ι=α。需要說明的是，相位偏移量是錢，運(yùn)是一個(gè)過程量，是 由掃描點(diǎn)處相位減去初始相位得到的，而相位皆1是一個(gè)參考相位，就是上述的初始相位。 將巧1設(shè)置為0V，可W減少計(jì)算，使掃描點(diǎn)后數(shù)據(jù)經(jīng)卡爾曼濾波過得到的相位值就是我們要 求得相位偏移參數(shù)是錢。
[0073] 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(diào)制器對(duì) 第二光子支路的第二光量子態(tài)進(jìn)行相位編碼調(diào)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(diào)制后的第二光量子態(tài)進(jìn)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。
[0074] 其中，在光纖傳輸過程中，由于環(huán)境變化導(dǎo)致單光子干設(shè)儀的臂長不對(duì)稱，故出現(xiàn) 了噪聲干擾。
[0075] 步驟S4、W至少一個(gè)調(diào)制周期的相位范圍對(duì)第二相位調(diào)制器的調(diào)制電壓進(jìn)行逐點(diǎn) 掃描，從最小電壓Nmin-直掃描到最大電壓Nmax，在掃描的每個(gè)調(diào)制電壓Vi上都進(jìn)行N個(gè)光脈 沖的計(jì)數(shù)累計(jì)，并記錄該調(diào)制電壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光子累計(jì)數(shù)值，；當(dāng)完成一個(gè)調(diào)制周期上的所有 電壓點(diǎn)的掃描后，得到一組電壓單光子數(shù)。
[0076] 步驟S5、根據(jù)電壓單光子數(shù)和QKD系統(tǒng)的干設(shè)輸出方程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得到系統(tǒng)方 程和量測方程，再利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行計(jì)算，W得到某時(shí)刻的相位漂移參數(shù)。
[0077] 具體地，在相位調(diào)制器PMi、PM2產(chǎn)生相位差資和環(huán)境影響產(chǎn)生的相位漂移然共同 作用下，得出如下的干設(shè)輸出結(jié)果：
[007引
（1)
[0079] 其中，Nout是單光子輸出計(jì)數(shù)值，Nmax是周期(0~如）內(nèi)最大單光子輸出值，Nmin是周 期(0~化）內(nèi)最小單光子輸出值。公式(1)即為干設(shè)輸出方程。
[0080] 通過控制相位調(diào)制器上的調(diào)制電壓來獲取相位變化值&護(hù)，二者關(guān)系為：
[0081 ]
(2)
[00劇其中，Vhalf為相位調(diào)制器半波電壓，V功外加調(diào)制電壓。
[0083] 相位漂移導(dǎo)致的系統(tǒng)誤碼率表示為：
[0084]
(3)
[00化]可見，誤碼率由Nmax、Nmin和夢A共問決走。
[0086] 因此，基于Q邸系統(tǒng)，由于干設(shè)輸出方程已知，只需對(duì)其N個(gè)隨機(jī)調(diào)制電壓的相位點(diǎn) 進(jìn)行掃描，得出每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單光子輸出計(jì)數(shù)值和相位調(diào)制器的調(diào)制電壓V，即可得出擴(kuò)展 卡爾曼濾波算法需要的測量值，再進(jìn)行數(shù)學(xué)建模W得到系統(tǒng)方程和量測方程，從而求得擴(kuò) 展卡爾曼濾波算法過程中需要的所有條件。因?yàn)閿U(kuò)展卡爾曼是遞推算法，所W給定初值就 可用軟件編程，實(shí)時(shí)獲取相位漂移參數(shù)，且其運(yùn)行時(shí)間可達(dá)到微秒級(jí)別。
[0087] 如圖4所示，卡爾曼濾波是一個(gè)自回歸的估計(jì)算法，主要分為兩個(gè)階段:時(shí)間更新 (預(yù)測)和量測更新(修正）。其中，原為系統(tǒng)狀態(tài)屈為已知的量測序列，Vk為均值為0,化是量 測噪聲方差。對(duì)于此QKD系統(tǒng)而言，有Ξ個(gè)待估計(jì)值，分別為Nmax、Nmin、稱，則系統(tǒng)狀態(tài)向量為 一個(gè)矩陣，Χ=[Μ"ατ巧曲賊]T，
[0088] 圖4中_ 1 I A _ 為Κ-1時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值，通過時(shí)間更新階段后，得到Κ-1時(shí) 刻對(duì)即寸刻的預(yù)測估計(jì)值，即圖4中的三U- I A - U^為量測狀態(tài)向量Nout，而對(duì)應(yīng)的量測控 制量為調(diào)制電壓V。
[0089] 因系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，且為逐點(diǎn)進(jìn)行掃描，則對(duì)其預(yù)測過程為當(dāng)前時(shí)刻的值等于前 一時(shí)刻的值，首先對(duì)其進(jìn)行建模過程：
[0093] 對(duì)于此系統(tǒng)而言：系統(tǒng)狀態(tài)向量為：X=[斯堿&稱]T，量測狀態(tài)向量為:Z = Nnut，量測控制量為:V
[0094] 因其量測方程為非線性方程，首先對(duì)其線性化，即在K-1時(shí)刻對(duì)Nnut進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù) 展開，并取其前兩項(xiàng)，可得到系統(tǒng)矩陣F和量測矩陣H。
[0095] 系統(tǒng) Jacobian 矩陣
C.6)
[0100]將已知采樣數(shù)據(jù)值結(jié)合公式4、5、6、7代入擴(kuò)展卡爾曼濾波的5個(gè)核屯、方程（8)- (12)：
[0106] 可得出最終的戶.值，將廬A值通過反饋鏈路送達(dá)接收端的第二相位調(diào)制器PM2,從 而控制相位調(diào)制器相位的變化，達(dá)到實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償，從而降低系統(tǒng)誤碼率。
[0107] 步驟S6、若I妍|〉〇 ,則將相位漂移參數(shù)值(Η通過反饋鏈路送達(dá)接收端的第二相位 調(diào)制器ΡΜ2, W進(jìn)行相位漂移的實(shí)時(shí)主動(dòng)補(bǔ)償;若|約,| = 0，不作處理。
[0108] 具體地，若|知織，則說明有相位漂移問題的存在，需將相位漂移參數(shù)值通過反饋 鏈路送達(dá)接收端的第二相位調(diào)制器ΡΜ2,經(jīng)電壓控制第二相位調(diào)制器ΡΜ2及其半波電壓來調(diào) 制相位變