一种基于均衡的连续变量量子通信过噪声抑制方法

1.本发明属于量子通信技术领域，涉及过噪声，具体涉及一种基于均衡的连续变量量子通信过噪声抑制方法。


背景技术：

2.系统过噪声是影响高性能连续变量量子通信的重要因素之一，与发送端、信道、接收端等密切相关，其中，信道过噪声对系统的影响最大。因此，开展针对连续变量量子通信的过噪声抑制研究是非常有必要的。高效的过噪声抑制技术有利于高性能量子通信系统的实现，推动量子通信的进一步发展。最近，不同通信链路下的抑制过噪声方案被相继提出，例如：文献1提出了一种基于贝叶斯估计的机器学习框架的过噪声抑制方法，文献2提出了基于改进的矢量卡尔曼滤波器载波相位估计算法的过噪声抑制方案，文献3研究了一种基于自适应光学的自由空间过噪声抑制方案。然而上述方法都是从不断提高相位追踪和补偿的实时性和高精度的角度出发，来抑制系统过噪声。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于均衡的连续变量量子通信过噪声抑制方法，由于信道波动所带来的幅度衰减和相位波动是产生系统过噪声的主要因素，本发明从波形矫正的角度出发，首次提出利用“均衡”的思想解决波动信道中额外过噪声恶化系统性能的技术问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
5.一种基于均衡的连续变量量子通信过噪声抑制方法，该方法包括以下步骤：
6.步骤1，量子信号发送阶段：
7.发送方使用高斯调制对量子相干态进行不同调制，得到参考光和信号光，将参考光和信号光进行时分复用得到耦合光，通过信道发送耦合光。
8.步骤2，量子信号接收阶段：
9.接收方接收步骤1中的耦合光，分离参考光和信号光，即得到接收信号光，将参考光和信号光分别与本振光进行干涉，进行零差检测。
10.步骤3，接收参考光分类阶段：
11.根据步骤2的零差检测结果获得接收参考光的信号质量，依据质量的不同，将接收参考光分为质量优秀、质量一般和质量差三类。
12.步骤4，获取校正系数阶段：
13.依据步骤3中的接收参考光的分类，对不同分类参考光的接收信号进行均衡，获取针对对应分类的校正系数，再进行参数估计，判断参考光的接收信号的校正效果。
14.步骤5，信号光接收信号校正阶段：
15.将步骤4获取的针对对应分类的校正系数用于相对应的信号光接收信号上，对信号光接收信号进行校正。
16.步骤6，后处理阶段：
17.对经过校正的信号光接收信号进行映射处理得到原始密钥，再通过协商纠错和保密增强得到最终密钥。
18.本发明还具有如下技术特征：
19.步骤1中，发送方准备两组独立的高斯随机数xa和pa，二者均服从0均值的高斯分布n(0,va)；发送方将高斯调制相干态|αs》＝|xa+ipa》定义为信号光，将高斯调制相干态定义为参考光。
20.其中：
21.n表示高斯分布；
[0022]va
表示调制方差；
[0023]
|α》表示相干态；
[0024]
a表示发送端；
[0025]
s表示信号光；
[0026]
r表示参考光；
[0027]
i2＝-1，表示虚数单位。
[0028]
步骤2中，接收方产生本地本振光，将其分为两束，分别与参考光和信号光进行零差检测。
[0029]
步骤3中，将所有接收参考光利用拟合模型进行拟合，确定接收参考光的分类标准，将接收参考光按照接收质量的不同分为质量优秀，质量一般和质量差三类标准。
[0030]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0031]
(ⅰ)现有技术中的方法都是从不断提高相位追踪和补偿的实时性和高精度的角度出发，来抑制系统过噪声。而在传输过程中，信道波动所带来的幅度衰减和相位波动是产生系统过噪声的主要因素，本发明通过对信道波动造成的量子信号的畸变进行校正，设计出波动信道下的过噪声抑制方法，可到达波动信道下具备稳健性和精确性的过噪声抑制效果。本发明实现了波动信道下系统过噪声抑制从而提高系统性能的目的。
[0032]
(ⅱ)本方法从系统过噪声产生机理的角度进行分析，表明信道波动造成的信号幅度衰减和相位波动是产生系统过噪声的主要原因，因此，本方法利用均衡校正技术，使得畸变波形得以校正，系统性地减少了过噪声，降低了信道波动为系统性能带来的恶劣影响。
[0033]
(ⅲ)与目前传统过噪声抑制方法不同，该方法不需要额外的相位追踪和补偿等后处理措施，降低了整个系统的计算量和硬件复杂度。
[0034]
(ⅳ)本发明提出的抑制过噪声方法，适用于具有波动特性的信道，从根本上解决了系统过噪声恶化系统性能的问题，为实现远距离，高性能的量子保密通信系统提供了基础。
附图说明
[0035]
图1为本发明的基于均衡的连续变量量子通信过噪声抑制方法的流程图。
[0036]
图2为本发明的连续变量量子通信系统的物理模型示意图。
[0037]
图3为本发明的光路示意图。
[0038]
图4为本发明的过噪声抑制效果图。
[0039]
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
[0040]
需要说明的是，本发明中的所有的设备和模型，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的设备和模型。例如拟合模型采用本领域已知常用的拟合模型。
[0041]
需要说明的是，本发明中的“均衡”不同于传统经典通信中的均衡。经典通信中的均衡指为了提高衰落信道中的通信系统的传输性能而采取的一种抗衰落措施，它主要是为了消除或者是减弱宽带通信时的多径时延带来的码间串扰(isi)问题。均衡器的输出存在剩余失真，需调整抽头系数以获得最佳的均衡效果，使失真达到最小。然而本发明中的“均衡”，虽然借鉴了经典通信中的均衡的概念，但是本发明中的“均衡”指的是根据实际接收信号调整均衡器的抽头系数，使其输出尽可能接近理想的接收信号而非剩余失真。
[0042]
如图2所示，为本发明的连续变量量子通信系统的物理模型示意图，图中的符号解释如下：bs表示分束器；hd表示homdyne检测；t表示信道透过率；ε表示系统过噪声。a0,a,b0,b,b1,b2,f0,f,g表示量子态；x表示正则动量；p表示正则位置；η表示探测效率；νd表示探测端噪声。
[0043]
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0044]
实施例：
[0045]
本实施例给出一种基于均衡的连续变量量子通信过噪声抑制方法，该方法包括以下步骤：
[0046]
步骤1，量子信号发送阶段：
[0047]
发送方使用高斯调制对量子相干态进行不同调制，得到参考光和信号光，将参考光和信号光进行时分复用得到耦合光，通过信道发送耦合光；
[0048]
步骤1中，发送方准备两组独立的高斯随机数xa和pa，二者均服从0均值的高斯分布n(0,va)；发送方将高斯调制相干态|αs》＝|xa+ipa》定义为信号光，将高斯调制相干态定义为参考光。
[0049]
其中：
[0050]
n表示高斯分布；
[0051]va
表示调制方差；
[0052]
|α》表示相干态；
[0053]
a表示发送端；
[0054]
s表示信号光；
[0055]
r表示参考光；
[0056]
i2＝-1，表示虚数单位。
[0057]
本实施例中具体的，如图1所示，alice使用高斯调制对量子信号进行不同调制，得到调制参考脉冲和调制信号脉冲，将二者进行时分复用，通过信道发送；信号脉冲和相位参
考均由同一激光器产生。在多次重复该过程后，信号脉冲和相位参考脉冲交错着同时从alice传输到bob。参考脉冲的强度是恒定的，并且相对大于信号脉冲，而远小于本振光，这减少复用系统中信号脉冲和参考脉冲之间的干扰，使用参考脉冲可以降低对量子资源的浪费。
[0058]
步骤2，量子信号接收阶段：
[0059]
接收方接收步骤1中的耦合光，分离参考光和信号光，即得到接收信号光，将参考光和信号光分别与本振光进行干涉，进行零差检测。
[0060]
步骤2中，接收方产生本地本振光，将其分为两束，分别与参考光和信号光进行零差检测。
[0061]
本实施例中具体的，如图1所示，分别用于信号脉冲和相位参考的相干检测。bob接收上述耦合光，分离调制参考脉冲和调制信号脉冲，并在本地产生一个高功率本振光，并将其分成两束，分别与调制参考脉冲和调制信号脉冲进行干涉，进行零差检测。
[0062]
步骤3，接收参考光分类阶段：
[0063]
根据步骤2的零差检测结果获得接收参考光的信号质量，依据质量的不同，将接收参考光分为质量优秀、质量一般和质量差三类；
[0064]
步骤3中，将所有接收参考光利用拟合模型进行拟合，确定接收参考光的分类标准，将接收参考光按照接收质量的不同分为质量优秀，质量一般和质量差三类标准。
[0065]
步骤4，获取校正系数阶段：
[0066]
依据步骤3中的接收参考光的分类，对不同分类参考光的接收信号进行均衡，获取针对对应分类的校正系数，再进行参数估计，判断参考光的接收信号的校正效果；用于确保传输安全。
[0067]
步骤5，信号光接收信号校正阶段：
[0068]
将步骤4获取的针对对应分类的校正系数用于相对应的信号光接收信号上，对信号光接收信号进行校正；
[0069]
步骤6，后处理阶段：
[0070]
对经过校正的信号光接收信号进行映射处理得到原始密钥，再通过协商纠错和保密增强得到最终密钥。
[0071]
在10km的光纤链路上实施该均衡方案，实验光路如图3所示。均衡方案的过噪声抑制结果如图4所示。从图3和图4可以看出，通过该方法可以通过校正畸变波从而达到抑制系统过噪声的目的。通过均衡对失真波形的校正作用，系统过噪声分布更集中，更加具有稳定性，均值更低，因此，本方法可以能够很好地解决系统过噪声过高的问题，具有速度快，硬件复杂度低的优点。
[0072]
综上所述，在传统的过噪声抑制(相位噪声补偿)方案中，在有限的补偿精度下，只能将过噪声由0.093抑制到0.078，降低了16％。在目前最远距离202.81km的量子通信方案中，由于其采用了多个自动反馈系统来校准偏振和相位噪声补偿，达到了较好的过噪声抑制效果(78％)，但后处理硬件结构复杂。相比之下，本发明的方案能够将系统过噪声抑制70％，在保证良好的过噪声抑制效果的前提下，减轻后处理压力，减少资源浪费。