基于完全重構(gòu)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(shuō)是一種基于完全重構(gòu)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)償方案由于光子往返兩次 通過(guò)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)償方案和波分復(fù)用偏振 補(bǔ)償方案雖然可以通過(guò)補(bǔ)償參考光達(dá)到對(duì)信號(hào)光的精確補(bǔ)償，但是需要系統(tǒng)在復(fù)用參考光 方面付出較大成本。因此，這些偏振補(bǔ)償方法無(wú)法在效率、距離和成本三個(gè)方面兼顧。專(zhuān) 利201510228202. 6提出了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，該方 法雖然較好地彌補(bǔ)了上述缺陷，但是由于在補(bǔ)償過(guò)程中需要花費(fèi)額外的時(shí)間來(lái)觀察試補(bǔ)償 的結(jié)果，因而必然會(huì)降低補(bǔ)償?shù)募皶r(shí)性，進(jìn)而制約補(bǔ)償?shù)木_性。OleSteuernagel和John A.Vaccaro已經(jīng)提出了通過(guò)投影算子重構(gòu)量子態(tài)密度算子的方法[Reconstrnctingthe DensityOperatorviaSimpleProjectors,PhysicalReviewLetters75,3201,1995], 但對(duì)于偏振補(bǔ)償，需要結(jié)合量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的偏振解碼方案更直接地重構(gòu)光子的偏振 ??τ〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了在兼顧效率、距離和成本的情況下進(jìn)一步克服誤碼率和不確 定率聯(lián)合反饋的光子偏振態(tài)補(bǔ)償方法因進(jìn)行試補(bǔ)償而降低了補(bǔ)償及時(shí)性和精確性的不足， 提出基于完全重構(gòu)的的光子偏振態(tài)補(bǔ)償方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0005] -種基于完全重構(gòu)的的光子偏振態(tài)補(bǔ)償方法，它包括以下步驟：
[0006] 發(fā)送端和接收端隨機(jī)使用三組非正交的偏振基對(duì)光子偏振態(tài)進(jìn)行編碼和解碼，發(fā) 送端和接收端對(duì)各組基的使用概率相同。
[0007] 將量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)期望接收的光子偏振態(tài)用P〇incar6球上的一個(gè)點(diǎn)表示，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)與其它兩組非正交基的夾 角就對(duì)應(yīng)當(dāng)前的兩個(gè)不確定率；
[0008] 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；
[0009] 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)其中一組非正交基的不確定率，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)；
[0010] 進(jìn)一步統(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)余下一組非正交基的不確 定率，在Poincar6球上進(jìn)一步將實(shí)時(shí)偏振態(tài)定位到前述兩個(gè)點(diǎn)中的一個(gè)，實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的完 全重構(gòu)；
[0011] 根據(jù)重構(gòu)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。
[0012] 本發(fā)明中，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)每次在長(zhǎng)度為Μ的原始密鑰中公布N位用于統(tǒng)計(jì)誤 碼率，其中Ν遠(yuǎn)小于Μ，在原始密鑰所在的有效探測(cè)序列中找出發(fā)送編碼為兩個(gè)非正交的偏 振態(tài)Η4和IΗ>但對(duì)基失敗的兩組子序列，在兩組子序列中各公布Ν'位用于統(tǒng)計(jì)不確定率， 利用誤碼率和兩個(gè)不確定率在P〇incar6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|H>，具體包括以下步驟：
[0013] (a)、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的接收端在長(zhǎng)度為Μ的原始密鑰所在的有效探測(cè)序列內(nèi) 找出發(fā)送編碼為丨丨 >和|Η>但對(duì)基失敗的兩組子序列，在兩組子序列中各隨機(jī)挑選出Ν'位， 稱(chēng)為偽密鑰，通過(guò)經(jīng)典信道向發(fā)送端公開(kāi)，其中Ν'多Ν;
[0014] (b)、將需要補(bǔ)償?shù)姆钦坏膬蓚€(gè)偏振態(tài)和|Η>分別標(biāo)記為Α和Β，在不包含 |4*|和|H>的另一組偏振基中任選一個(gè)偏振態(tài)標(biāo)記為C;
[0015] (c)、將A在Poincar6球上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)記為A。，A。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B。，B。是B在接收端的期望偏振態(tài)，A。與B。的夾角，即相應(yīng) 半徑的夾角，取值范圍為（〇, 3〇,將C在Poincar6球上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)記為(；，Α。與C。的夾角，取 值范圍也為（0,π);
[0016] (d)、在公開(kāi)的Ν位密鑰中，統(tǒng)計(jì)Α的誤碼率為Εα;
[0017] (e)、在Poincar6球上作圓CE，使得該圓C』的點(diǎn)與Α。的夾角的半角的余弦值為 (1-EA)的正平方根；
[0018] (f)、在公開(kāi)的兩組Ν'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;
[0019] (g)、在Poincar6球上作圓Q，使得該圓CJ：的點(diǎn)與B。的夾角的半角的余弦值為 UA的正平方根；
[0020] (h)、在公開(kāi)的兩組Ν'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C的概率， 即A相對(duì)C的不確定率，記為YA;
[0021] ⑴、在Poincar6球上作圓CY，使得該圓的點(diǎn)與C。的夾角的半角的余弦值為 YA的正平方根；
[0022] (j)、將CE記為CEA，將C,記為CUA，將CY記為CYA，按照下述情況判定實(shí)時(shí)偏振態(tài)A:
[0023] 如果CEA、CUA與CYA有1個(gè)共同的交點(diǎn)，則將這個(gè)點(diǎn)分別作為A在接收端的實(shí)時(shí)偏 振態(tài)Ai;
[0024] 如果CEA、CUA與CYA沒(méi)有1個(gè)共同的交點(diǎn)，但它們兩兩之間共有3個(gè)或3個(gè)以上的 交點(diǎn)，則在所有交點(diǎn)中，找出1個(gè)交點(diǎn)，該交點(diǎn)與其它所有交點(diǎn)的距離的和，在所有交點(diǎn)中 最小，并將該交點(diǎn)作為A在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)A1;
[0025] 如果CEA、CUA與CYA沒(méi)有1個(gè)共同的交點(diǎn)，但它們兩兩之間共有2個(gè)交點(diǎn)，其中CEA與 CUA有2個(gè)交點(diǎn)，或者CEA與CYA有2個(gè)交點(diǎn)，或者CUA與CYA有2個(gè)交點(diǎn)，則在這2個(gè)交點(diǎn)中， 找出1個(gè)交點(diǎn)，該交點(diǎn)與另一個(gè)圓（即CYA、或CUA、或CEA)的距離比另一個(gè)交點(diǎn)小，并將該交 點(diǎn)作為A在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)A1;
[0026] 如果CEA、CUA與CYA沒(méi)有1個(gè)共同的交點(diǎn)，但它們兩兩之間共有2個(gè)交點(diǎn)，其中CYA與 CEA和CUA各有1交點(diǎn)，或者CUA與CEA和CYA各有1交點(diǎn)，或者CEA與CUA和CYA各有1交點(diǎn)，則 在CYA、CUA或CEA上，找出2個(gè)交點(diǎn)的中點(diǎn)，并將該中點(diǎn)作為A在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)Ai;
[0027] 如果CEA、CUA與CYA沒(méi)有1個(gè)共同的交點(diǎn)，但它們兩兩之間共有1個(gè)交點(diǎn)，其中CEA與 CUA有1個(gè)交點(diǎn)，或者CEA與CYA有1個(gè)交點(diǎn)，或者CUA與CYA有1個(gè)交點(diǎn)，則將該點(diǎn)作為A在接 收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)A1;
[0028] 如果CEA、CUA與CYA沒(méi)有共同的交點(diǎn)，且它們兩兩之間均沒(méi)有交點(diǎn)，則在CEA、CUA與CYA 上各選取與其它兩個(gè)圓距離最近的2個(gè)點(diǎn)，在此6個(gè)點(diǎn)中找出1個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)與其它5個(gè)點(diǎn)的 距離的和，在所有點(diǎn)中最小，并將該點(diǎn)作為A在接收端的實(shí)時(shí)偏振態(tài)A1;
[0029] (k)、將為！十|的實(shí)時(shí)偏振態(tài)，將非正交的偏振態(tài)1+)·和|H>分別標(biāo)記為B和 A，在不包含丨丨 >和|H>的另一組偏振基中任選一個(gè)偏振態(tài)標(biāo)記為C，重復(fù)步驟（c)~（j)，將 得到的Ai記為|H>的實(shí)時(shí)偏振態(tài)；
[0030] (1)、根據(jù)判定的丨+>和|H>的實(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：
[0031] 本發(fā)明的有益效果：
[0032] 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，通過(guò)完全重構(gòu)消除了試補(bǔ)償?shù)牟焕绊?，進(jìn)一步提高了對(duì)兩個(gè)非正交的光子偏振 態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)臅r(shí)效性和精確度。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1是本發(fā)明的Poincar6球示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 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(shuō)明。
[0035] 如圖1所示，發(fā)送端和接收端隨機(jī)使用三組非正交的偏振基對(duì)光子偏振態(tài)進(jìn)行編 碼和解碼，發(fā)送端和接收端對(duì)各組基的使用概率相同。
[0036] 將量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)期望接收的光子偏振態(tài)用P〇incar6球上的一個(gè)點(diǎn)表示，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)與其它兩組非正交基的夾 角就對(duì)應(yīng)當(dāng)前的兩個(gè)不確定率；
[0037] 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；
[0038] 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)其中一組非正交基的不確定率，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)；
[0039] 進(jìn)一步統(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)余下一組非正交基的不確 定率，在Poincar6球上進(jìn)一步將實(shí)時(shí)偏振態(tài)定位到前述兩個(gè)點(diǎn)中的一個(gè)，實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的完 全重構(gòu)；
[0040] 根據(jù)重構(gòu)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。
[0041] 具體實(shí)施時(shí)：
[0042] 采用六態(tài)協(xié)議的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，用兩組線(xiàn)偏振態(tài)和一組圓偏振態(tài)編碼，分別 是|H&g