一种用于量子密钥分发的动态跟踪相位电压方法与流程

1.本发明属于相位动态电压跟踪技术领域，更具体地，本发明涉及一种用于量子密钥分发的动态跟踪相位电压方法。


背景技术：

2.随着现代化通信技术的迅速发展，通信的环境愈来愈复杂，通信安全问题也日益加重，各行各业对于通信安全越来越重视。目前最常用的rsa加密算法在量子计算的冲击下，安全性已经难以得到保障。而量子保密通信是基于量子力学的基本定律，量子不可克隆性和海森堡测不准原理，利用“一次一密”的方式对信息进行加密保障了量子密码的无条件的安全性，量子密钥分发技术(quantum key distribution,qkd)的应用也随之越来越广泛。
3.量子密钥分发技术中常用的编码方式主要有偏振编码及相位编码。在偏振编码光纤传输方案的量子密钥分发中，由于光纤在信道中固有的双折射效应，使得光子在传输过程中偏振态会随机发生变化，受外界环境影响较大，使得到达接收端光子偏振态无法预测，如果按照约定的偏振方向进行测量就可能产生错误的探测结果，导致传输距离短、误码率高等问题。而使用相位编码方案的量子密钥分发系统，可消除光纤信道中偏振扰动对系统的影响，环境鲁棒性更强。因此现在常用的主要是相位编码的量子密钥分发方案，通过对光子的相位差进行编码达到传递密钥信息。但采用相位编码的量子密钥分发技术方案，其探测器探测到的相位准确与否，会直接影响到系统的整体性能。如若准确度低，会造成系统的误码率升高，降低密钥生成率，并且严重影响成码的随机性。


技术实现要素：

4.本发明提供一种用于量子密钥分发的动态跟踪相位电压方法，旨在降低系统的误码率的同时，维持误码率的稳定。
5.本发明是这样实现的，一种用于量子密钥分发的动态跟踪相位电压方法，所述方法具体包括如下步骤：
6.s1、在向四种标准相位电压施加电压偏移值后，实时监测探测器的探测数据，统计发送端以各标准相位发出的量子光，在接收端随机以各标准相位探测得到的计数值，形成探测平衡矩阵；
7.s2、通过探测平衡矩阵计算四种标准相位下的实际相位差，基于实际相位差与对应标准相位差的差值计算对应相位的初始电压偏移值，
8.s3、基于动态调节因子对初始电压偏移值进行调节，形成各标准相位电压上的电压偏移值，并将电压偏移值加载至对应的标准相位电压上。
9.进一步的，四种标准相位下的实际相位差的计算方法具体如下：
10.获取四种标准相位差在探测平衡矩阵中的实际平均计数值ⅰ，去除平均计数值ⅰ上的暗计数，形成四种标准相位差的实际平均计数值ⅱ；
11.对四种标准相位差的实际平均计数值ⅱ进行归一化，获取每种标准相位差的实际干涉概率；
12.基于实际干涉概率获取每种标准相位差下的实际相位差。
13.进一步的，所述暗计数为π相位差在探测平衡矩阵中的平均计数值ⅰ。
14.进一步的，所述动态调节因子的调节方法具体如下：
15.s41、检测本轮调节的平均误码率err
curr
是否大于上轮调节的平均误码率err
old
，若检测结果为是，则将动态调节因子ρ按照上次调节的方向反向调节一个步长作为下轮调节的动态调节因子ρ1，将上次调节的平均误码率err
old
更新为本次调节的平均误码率err
curr
，若检测结果为否，则控制动态太调节因子ρ按照上次调节的方向继续正向调节一个步长作为下轮调节的动态调节因子ρ1，将上次调节的平均误码率err
old
更新为本次调节的平均误码率err
curr
；
16.s42、开始下轮动态调节，基于当时实际相位差与对应标准相位差的差值计算四个标准相位电压上的初始电压偏移值，初始电压偏移值经本轮调节的动态调节因子ρ1调节后载至四种标准相位电压上；
17.s43、执行步骤s1，计算本次调节的误码率；
18.s44、检测本轮的调节次数是否达到次数阈值，若检测结果为否，则保持动态调节因子ρ不变，执行步骤s42，若检测结果为是，则本轮调节结束，计算并更新本轮调节的平均误码率err
curr
，执行步骤s41。
19.进一步的，在动态调节因子ρ减小到最低阈值时，计算本轮调节的平均误码率err
curr
与上轮调节的平均误码率err
old
的误码率差异值δerr，若误码率差异值δerr超过当前平均误码率err
curr
的30％，则将动态调节因子ρ设置为设定值；若误码率差异值δerr不超过当前平均误码率err
curr
的30％，则动态调节因子ρ仅增加一个步长。
20.本发明对探测器探测到的数据进行后处理，通过平衡矩阵计数来比较计算实际相位差与标准相位差之间的差异，补偿四相位电压值。同时通过误码率的变化来选择补偿方向，最终使系统误码率降低并维持稳定，提高系统通信质量
附图说明
21.图1为本发明实施例提供的用于量子密钥分发的动态跟踪相位电压方法流程图。
具体实施方式
22.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
23.现有相位编码量子密钥分发技术中，通过相位调制器对光子相位进行编码，而现有成熟的相位调制器，使用的是铌酸锂波导结构，而温度变化会改变光在铌酸锂中折射率变化，以及其他热电效应或压电效应都会造成铌酸锂相位调制器相位的漂移，因此，在固有的电压下相位不能维持稳定，最终使得系统在固有的四种相位电压下，0、π/2、π、3π/2四种相位差随时间变化在漂移，相位编码量子密钥分发系统误码率不稳定。
24.本发明旨在改善上述相位调制器随环境变化相位漂移带来的误码率变化问题，对
探测器探测到的数据进行后处理，通过平衡矩阵计数来比较计算相位差与标准相位差之间的差异，补偿四相位电压值。同时通过误码率的变化来选择补偿方向，最终使系统误码率降低并维持稳定，提高系统通信质量。
25.图1为本发明实施例提供的用于量子密钥分发的动态跟踪相位电压方法流程图，该方法包括如下步骤：
26.根据bb84协议，qkd中发送端alice随机选择0、π/2、π和3π/2四种相位中的一种对量子光进行相位调制，当光子到达接收端bob时，接收端bob随机选择0、π/2、π和3π/2四种相位中的一种对其进行测量，发送端alice和接收端bob选择相位的差值称为相位差，根据相位选择规则，相位差有四种，分别为0、π/2、π和3π/2，又称为标准相位差，若双方的相位差为0，则该光子能被探测器探测到；若双方的相位差为π/2或3π/2，则该光子有1/2机率被探测器探测到；若双方的相位差为π，则该光子不能被探测器探测到，即可组成理想平衡矩阵表，如表1所示。
27.表1理想平衡矩阵
28.alice\bob0π/2π3π/2011/201/2π/21/211/20π01/211/23π/21/201/21
29.s1、在向四种标准相位电压施加电压偏移值后，实时监测探测器的探测数据，统计发送端以各标准相位发出的量子光在接收端随机以各标准相位探测得到的计数值，形成探测平衡矩阵；
30.在本发明实施例中，以发送端选择量子光的标准相位作为纵列，接收端bob探测到的量子光标准相位作为横列，获取发送端alice发出的量子光相位在接收端bob探测到的量子光相位的计数值；将该计数值填充至平衡矩阵中，形成4*4的探测平衡矩阵，如表2所示；
31.表2探测平衡矩阵
32.alice\bob0π/2π3π/2031371542901432π/219122949135675π801586300917593π/212537917992925
33.表2中的第一行的四个元素依次表示：发送端alice发出0相位的量子光，接收端bob分别以0相位、π/2相位、π相位和3π/2相位探测到的量子光计数值；第二行的四个元素依次表示：发送端alice发出π/2相位的量子光，接收端bob分别以0相位、π/2相位、π相位和3π/2相位探测到的量子光计数值；第三行的四个元素依次表示：发送端alice发出π相位的量子光，接收端bob分别以0相位、π/2相位、π相位和3π/2相位探测到的量子光计数值；第四行的四个元素依次表示：发送端alice发出3π/2相位的量子光，接收端bob分别以0相位、π/2相位、π相位和3π/2相位探测到的量子光计数值。表2中对角线位置的数值约是它相邻数值的2倍关系，对角线位置是相位差为0的位置，它相邻的是相位差为π/2或3π/2，剩余四个计数值明显偏小的是相位差为π的位置
34.s2、获取四种标准相位差在探测平衡矩阵中的实际平均计数值ⅰ，去除平均计数值ⅰ上的暗计数，形成四种标准相位差的实际平均计数值ⅱ；
35.标准相位差有四种，分别为0、π/2、π和3π/2，基于表2来计算上述四种标准相位差的平均计数值，0相位差的平均计数值ⅰ为：(3137+2949+3009+2925)/4＝3005，π/2相位差的平均计数值ⅰ为：(1542+1356+1759+1253)/4＝1477.5，π相位差的平均计数值ⅰ为：(90+75+80+79)/4＝81，3π/2相位差的平均计数值ⅰ为：(1432+1912+1586+1799)/4＝1682.25，暗计数为81，去除暗计数后的四个相位差的平均计数值ⅱ依次为：2924，1396.5，0，1601.25，误码率：(90+75+80+79)/(90+75+80+79+3137+2949+3009+2925)。
36.s3、对四种标准相位差的平均计数值ⅱ进行归一化，获取每种标准相位差的实际干涉概率，基于干涉概率获取每种标准相位差下的实际相位差，计算实际相位差与对应标准相位差的差值，基于该差值计算各标准相位上的初始相位偏移值；
37.根据干涉公式：其中，表示实际产生的相位差，简称为实际相位差，i表示实际相位差对应的干涉概率。
38.s4、基于动态调节因子ρ对各标准相位上的初始电压偏移值进行调节，形成各标准相位上的电压偏移值，并将电压偏移值加载至四种标准相位电压上。
39.相位和电压的关系是周期性的，由器件决定，例如它的周期是3200(电压)，对应相位周期2π，那么如果偏移了π的话，理论上只需要补偿电压值1600，由于环境等因素的影响，实际上根据本算法我们补偿1600*ρ。在本发明实施例中，动态调节因ρ子的调节方法具体如下：
40.s41、检测本轮调节的平均误码率err
curr
是否大于上轮调节的平均误码率err
old
，若检测结果为是，则将动态调节因子ρ按照上次调节的方向反向调节一个步长作为下轮调节的动态调节因子ρ1，将上次调节的平均误码率err
old
更新为本次调节的平均误码率err
curr
，若检测结果为否，则控制动态太调节因子ρ按照上次调节的方向继续正向调节一个步长作为下轮调节的动态调节因子ρ1，将上次调节的平均误码率err
old
更新为本次调节的平均误码率err
curr
；
41.s42、开始下轮动态调节，基于当时实际相位差与对应标准相位差的差值计算四个标准相位电压上的初始电压偏移值，初始电压偏移值经本轮调节的动态调节因子ρ1调节后分别载至四种标准相位电压上；
42.s43、执行步骤s1，计算本次调节的误码率；
43.s44、检测本轮的调节次数是否达到次数阈值，若检测结果为否，则保持动态调节因子ρ1不变，执行步骤s42，若检测结果为是，则本轮调节结束，计算并更新本轮调节的平均误码率err
curr
，执行步骤s41。
44.在本发明实施例中，用符号ρ
signal
表示上次调节中动态调节因子ρ的调节方向，若ρ
signal
为1，表示动态调节因子ρ在上次调节中是增加一个步长，若ρ
signal
为
‑
1，表示动态调节因子ρ上次调节中是减小一个步长；
45.若本轮调节的平均误码率err
curr
大于上轮调节的平均误码率err
old
，若ρ
signal
为1，则控制动态太调节因子ρ减小一个步长，若ρ
signal
为
‑
1，则控制动态调节因子ρ增加小一个步长；若本轮调节的平均误码率err
curr
小于上轮调节的平均误码率err
old
，若ρ
signal
为1，则控
制动态调节因子ρ增加一个步长，若ρ
signal
为
‑
1，则控制动态太调节因子ρ减小一个步长。
46.在确定下轮调节的动态调节因子ρ后，开始下轮调节，在同一轮调节中，动态调节因子ρ的取值不变，连续连接5次，计算本轮5次调节的误码率平均值，即为本轮调节的平均误码率err
curr
。
47.在本发明实施例中，在动态调节因子ρ减小到最低阈值时，计算本轮调节的平均误码率err
curr
与上轮调节的平均误码率err
old
的误码率差异值δerr，若误码率差异值δerr超过当前平均误码率err
curr
的30％，则将动态调节因子ρ设置为设定值(如1)；若误码率差异值δerr不超过当前平均误码率err
curr
的30％，则动态调节因子ρ仅增加一个步长。
48.在本发明实施例中，动态调节因子ρ的取值范围限定为0.1～3，动态调节因子的初始赋值的数值位于1～1.5之间。
49.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之。