專利名稱：一種量子密碼分發偏振反饋系統及其實現方法
技術領域：
本發明涉及量子保密通信領域，尤其是一種量子密碼分發偏振反饋系統及其實現 方法。
背景技術：
偏振反饋算法工作在偏振編碼的量子密碼分發方案中，由于發送方和接收方之間 的光纖可能受到環境等因素的擾動，其中光信號的偏振會發生變化，這會導致接收方錯誤 率增加。為了保持較低的錯誤率，偏振編碼的量子密鑰分發系統中需要進行偏振反饋。在量子密碼分發系統中，發送方發出的H、V光在HV基矢下探測應當分別得到H、V 結果，而在發送方、接收方之間沒有受到攻擊時，如果H光探測結果出現V光，即說明接收方 基矢方向與發送方基矢方向有部分偏差，其偏差的大小可以由這時V光占發出的H光的比 例確定。相應地，發送方發出的+光、-光在+_基矢下探測應當分別得到+、_結果。因此 需要在接收方基矢與發送方偏差的時候進行糾正，以減小或消除信道光纖受到干擾帶來的 問題。
發明內容
本發明的首要目的在于提供一種結構簡單、能夠精確進行偏振反饋的量子密碼分 發偏振反饋系統。為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案一種量子密碼分發偏振反饋系統， 包括偏振控制器，偏振控制器分別通過信道光纖與激光器和探測器連接，所述的探測器和 偏振控制器之間設有偏振反饋模塊，偏振控制器、探測器和偏振反饋模塊組成反饋回路，偏 振反饋模塊與激光器相連。本發明的另一目的在于提供一種量子密碼分發偏振反饋系統的實現方法，該方法 包括下列順序的步驟(1)激光器產生的信號經過信道光纖依次進入偏振控制器和探測器，當信號進入 探測器時，探測器開始計數；(2)當系統錯誤率大于預先設定數值時，偏振反饋模塊工作；(3)偏振反饋模塊發出反饋信號至偏振控制器，偏振控制器根據電壓的變化對傳 輸的信號進行調整。由上述技術方案可知，本發明的偏振反饋由接收方發起，需要發送方和接收方的 可靠連接傳遞命令，控制發送方發出確定偏振的光，接收方通過控制相應HV/+-基矢的偏 振控制器，調整其偏振到需要狀態。偏振反饋模塊根據需要控制發送方激光器發出不同偏 振方向的光在接收方進行反饋，補償信道光纖受到擾動帶來的影響。
圖1是本發明的電路框圖2為圖1中信道光纖、偏振控制器和探測器的結構圖；圖3、4、5分別為本發明的主流程圖、單基矢反饋流程圖和一維反饋流程圖。
具體實施例方式一種量子密碼分發偏振反饋系統，包括偏振控制器10，偏振控制器10分別通過信 道光纖20與激光器30和探測器40連接，所述的探測器40和偏振控制器10之間設有偏振 反饋模塊50，偏振控制器10、探測器40和偏振反饋模塊50組成反饋回路，偏振反饋模塊50 與激光器30相連，如圖1所示。如圖1、2所示，所述的偏振反饋模塊50由反饋算法模塊51和電壓輸出模塊52組 成，反饋算法模塊51的信號輸入端與探測器40的信號輸出端相連，反饋算法模塊51的信 號輸出端分別與電壓輸出模塊52和激光器30的信號輸入端相連，電壓輸出模塊52與偏振 控制器10相連。所述的探測器40由偏振分束器41和單光子計數器42組成，偏振控制器 10通過偏振分束器41與單光子計數器42相連，單光子計數器42與反饋算法模塊51相連。如圖1、2所示，所述的偏振控制器10包括第一、二偏振控制器11、12，激光器30通 過信道光纖20分別與第一、二偏振控制器11、12相連，所述的偏振分束器41包括第一、二 偏振分束器41a、41b，所述的單光子計數器42包括第一、二、三、四單光子計數器42a、42b、 42c、42d，第一偏振控制器11通過第一偏振分束器41a分別與第一、二單光子計數器42a、 42b相連，第二偏振控制器12通過第二偏振分束器41b分別與第三、四單光子計數器42c、 42d相連。偏振反饋由接收方發起，需要發送方和接收方的可靠連接傳遞命令，控制發送方 發出確定偏振的光，接收方通過控制相應HV/+-基矢的偏振控制器10，調整其偏振到需要 狀態。如圖3所示，在工作時，激光器30產生的信號經過信道光纖20依次進入偏振控制 器10和探測器40，當信號進入探測器40時，探測器40開始計數；當系統錯誤率大于預先 設定數值時，偏振反饋模塊50工作；偏振反饋模塊50發出反饋信號至偏振控制器10，偏振 控制器10根據電壓的變化對傳輸的信號進行調整。如圖3所示，首先系統設定錯誤率閾值，探測器40根據量子密碼分發運行錯誤率 進行判斷，當錯誤率連續多次超過設定的錯誤率閾值時，偏振反饋模塊50工作。比如設定 連續3次超過2%即開始反饋，保留數據的錯誤率設定為2. 2%，即運行間超過2. 2%的數 據全部丟掉。接收方根據量子密碼分發運行錯誤率進行判斷，當錯誤率連續三次超過某個 設定的閾值，接收方向發送方請求開始HV基矢反饋。首先進行HV基矢反饋，偏振反饋模塊 50請求激光器30發出單一的H光直至反饋到H/V對比度達到設定的對比度為止，之后進行 +-基矢反饋，偏振反饋模塊50請求激光器30發送單一 +光直至反饋到+/_對比度達到設 定的對比度為止，如果此時H/V比例也滿足要求，反饋結束，激光器開始下一個周期的密鑰 生成工作。如圖4所示，所述的第一偏振控制器10進行HV基矢反饋，第二偏振控制器10進 行+-基矢反饋，第一、二偏振控制器10均有三個軸，需要三個軸配合將任一偏振態調節至 任一輸出偏振態，并輸入探測器40進行計數；偏振反饋模塊50對每一個軸均進行一維反 饋，直至調整該軸電壓使計數達到最優，即該軸電壓再進行調節計數均會比當前更差為止。 在某一基矢進行反饋的時候，另外基矢的電壓保持不變。量子密碼分發正常運行時，偏振控制器10的輸入電壓保持恒定。探測器40固定時間間隔上傳數據，反饋算法模塊51將數據 累加至指定時間間隔，如0. 5s,以保證數據量足夠多，其平均波動較小。如圖4所示，在進行單基矢反饋時，如果第一次切換至該基矢反饋，即自上一次非 反饋該基矢狀態切換至反饋該基矢狀態，則選擇偏振控制器10第一個軸或任一軸開始進 行反饋；如果當前軸反饋結束，即由上一次一維反饋給出結果，但對比度未達到設定要求， 則切換到偏振控制器10下一個軸進行一維反饋；如果對比度優于設定對比度并且當前軸 反饋到最優，則停止該基矢的反饋。停止本基矢反饋后，如果正在反饋的基矢為HV，則向發 送方申請切換到+_基矢反饋；如果正在反饋的基矢為+_，需要判斷當前HV基矢數據，如果 HV基矢比例在1附近，如0. 8-1. 2之間，則認為判定通過，向發送方申請反饋結束；如果HV 基矢比例超過允許范圍，則認為可能受到攻擊，或者+_反饋期間光纖偏振變化過大，向發 送方申請進行HV反饋。如圖5所示，反饋算法模塊51讀取單光子計數器42的計數值，判斷臨近兩次計數 值是否模糊，如果本次計數與上次計數差值過小，則認為電壓變化對本軸計數已經沒有太 大影響，保持電壓不變，結束本軸反饋，下次將反饋下一軸；若當前計數是該軸反饋的第一 次計數，或者，當前計數比上一次小，則繼續在該軸上一次電壓改變方向上改變計算所得電 壓步長，并判斷是否超過范圍。如果兩次差值小于當前計數平方根的一半，則認為計數差 過小，計數模糊。當前軸進行一維反饋會計算得到下一次輸出電壓，其他軸維持上次設定電 壓。如圖5所示，如果只有兩次計數，并且本次計數大于上一次計數，或者，有3次或以 上計數，本次計數大于上一次計數，并且上一次計數大于第三次歷史計數，則改變該軸電壓 變化方向，并且如上改變計算所得電壓步長，并判斷是否超過范圍。如果上一次歷史計數是 3次歷史計數中最優值，并且本軸至少連續2次改變電壓時電壓變化的方向沒有發生變化 則認為上一次計數為本軸最優計數，根據上一次計數反向改變一次電壓，變回獲得上一次 計數時的電壓，本軸反饋過程結束，并且本軸得到最優值。如圖5所示，為了使計數在距最優值遠的時候變化大，而距最優值附近時精細調 節，對不同計數采用不同電壓步長。目前采用方法為計數小于500時，電壓變化為設定的 最小步長；計數大于5000時，電壓變化為設定的最大步長；計數在期間時，電壓變化為隨計 數增長而增長的線性插值。偏振控制器10的工作電壓范圍為0-150V，當算法給出的電壓超 過該范圍時，增加或減小偏振控制器10的2*PI電壓倍數，使電壓落到該范圍內。不同偏振 控制器不同，需要外部參數設定。
權利要求
一種量子密碼分發偏振反饋系統，包括偏振控制器，偏振控制器分別通過信道光纖與激光器和探測器連接，其特征在于所述的探測器和偏振控制器之間設有偏振反饋模塊，偏振控制器、探測器和偏振反饋模塊組成反饋回路，偏振反饋模塊與激光器相連。
2.根據權利要求1所述的量子密碼分發偏振反饋系統，其特征在于所述的偏振反饋 模塊由反饋算法模塊和電壓輸出模塊組成，反饋算法模塊的信號輸入端與探測器的信號輸 出端相連，反饋算法模塊的信號輸出端分別與電壓輸出模塊和激光器的信號輸入端相連， 電壓輸出模塊與偏振控制器相連。
3.根據權利要求1或2所述的量子密碼分發偏振反饋系統，其特征在于所述的探測 器由偏振分束器和單光子計數器組成，偏振控制器通過偏振分束器與單光子計數器相連， 單光子計數器與反饋算法模塊相連。
4.根據權利要求3所述的量子密碼分發偏振反饋系統，其特征在于所述的偏振控制 器包括第一、二偏振控制器，激光器依次通過信道光纖、光纖分束器與第一、二偏振控制器 相連，所述的偏振分束器包括第一、二偏振分束器，所述的單光子計數器包括第一、二、三、 四單光子計數器，第一偏振控制器通過第一偏振分束器分別與第一、二單光子計數器相連， 第二偏振控制器通過第二偏振分束器分別與第三、四單光子計數器相連。
5.根據權利要求1所述的量子密碼分發偏振反饋系統的實現方法，該方法包括下列順 序的步驟(1)激光器產生的信號經過信道光纖依次進入偏振控制器和探測器，當信號進入探測 器時，探測器開始計數；(2)當系統錯誤率大于預先設定數值時，偏振反饋模塊工作；(3)激光器發出特定偏振光，偏振反饋模塊發出反饋信號至偏振控制器，偏振控制器根 據電壓的變化對傳輸的信號進行調整。
6.根據權利要求5所述的量子密碼分發偏振反饋系統的實現方法，其特征在于首先 設定錯誤率閾值，量子密鑰分發系統根據量子密碼分發運行錯誤率進行判斷，當錯誤率連 續多次超過設定的錯誤率閾值時，偏振反饋模塊工作，首先進行HV基矢反饋，偏振反饋模 塊請求激光器發出單一的H光直至反饋到H/V對比度達到設定的對比度為止，之后進行 +-基矢反饋，偏振反饋模塊請求激光器發送單一 +光直至反饋到+/_對比度達到設定的對 比度為止，如果此時H/V比例也滿足要求，反饋結束，激光器開始下一個周期的密鑰生成工 作。
7.根據權利要求6所述的量子密碼分發偏振反饋系統的實現方法，其特征在于所述 的第一偏振控制器進行HV基矢反饋，第二偏振控制器進行+_基矢反饋，第一、二偏振控制 器均有三個軸，三個軸將任一偏振態調節至任一輸出偏振態，并經投影測量后輸入探測器 計數，探測器輸出計數值；偏振反饋模塊對每一個軸均進行一維反饋，偏振反饋模塊迭代進 行一維反饋，直至該基矢計數值達到要求為止。
8.根據權利要求7所述的量子密碼分發偏振反饋系統的實現方法，其特征在于在進 行單基矢反饋時，如果第一次切換至該基矢反饋，即自上一次非反饋該基矢狀態切換至反 饋該基矢狀態，則選擇偏振控制器第一個軸或任一軸開始進行反饋；如果當前軸反饋結束， 即由上一次一維反饋給出結果，但對比度未達到設定要求，則切換到偏振控制器下一個軸 進行一維反饋；如果對比度優于設定對比度并且當前軸反饋到最優，則停止該基矢的反饋。
9.根據權利要求8所述的量子密碼分發偏振反饋系統的實現方法，其特征在于反饋 算法模塊讀取單光子計數器的計數值，判斷臨近兩次計數值是否模糊，如果本次計數與上 次計數差值過小，則認為電壓變化對本軸計數已經沒有太大影響，保持電壓不變，結束本軸 反饋，下次將反饋下一軸；若當前計數是該軸反饋的第一次計數，或者，當前計數優于上一 次計數，則繼續在該軸上一次電壓改變方向上改變計算所得電壓步長，并判斷是否超過范 圍；若本軸反饋已達到最優，則停止反饋，下次進行下一個軸的反饋；若當前計數差于上一 次計數，則改變該軸電壓變化方向，并計算步長，計算輸出電壓。
10.根據權利要求9所述的量子密碼分發偏振反饋系統的實現方法，其特征在于如果 兩次差值小于當前計數平方根的一半，則計數差過小，計數模糊；當前軸進行一維反饋會計 算得到下一次輸出電壓，其他軸維持上次設定電壓；如果只有兩次計數，并且本次計數大于 上一次計數，或者，有3次或以上計數，本次計數大于上一次計數，并且上一次計數大于第 三次歷史計數，則改變該軸電壓變化方向，并且如上改變計算所得電壓步長，并判斷是否超 過范圍；如果上一次歷史計數是3次歷史計數中最優值，并且本軸至少連續2次改變電壓時 電壓變化的方向沒有發生變化則認為上一次計數為本軸最優計數，根據上一次計數反向改 變一次電壓，本軸反饋過程結束，并且本軸得到最優值。
全文摘要
本發明涉及一種量子密碼分發偏振反饋系統，包括偏振控制器，偏振控制器分別通過信道光纖與激光器和探測器連接，所述的探測器和偏振控制器之間設有偏振反饋模塊，偏振控制器、探測器和偏振反饋模塊組成反饋回路，偏振反饋模塊與激光器相連。本發明還公開了一種量子密碼分發偏振反饋系統的實現方法。本發明的偏振反饋由接收方發起，需要發送方和接收方的可靠連接傳遞命令，控制發送方發出確定偏振的光，接收方通過控制相應HV/+-基矢的偏振控制器，調整其偏振到需要狀態。偏振反饋模塊根據需要控制發送方激光器發出不同偏振方向的光在接收方進行反饋，補償信道光纖受到擾動帶來的影響。
文檔編號H04L9/08GK101917268SQ201010264378
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月19日 優先權日2010年8月19日
發明者劉洋, 彭承志, 潘建偉, 陳騰云 申請人:安徽量子通信技術有限公司