一种自由空间连续变量量子通信系统贝叶斯参数估计方法

本发明涉及一种参数估计方法，具体涉及一种自由空间连续变量量子通信系统贝叶斯参数估计方法。

背景技术：

1、量子通信技术中，连续变量量子密钥分发(cvqkd)系统的物理部分包括量子态的制备、传输和测量，以及后处理部分包括参数估计、信息协商和保密增强。由于参数估计是连续变量量子通信系统中连接量子态发送阶段和数据后处理阶段的关键环节，一方面，它可以评估量子态在量子信道传输过程中的安全性，另一方面，它通过评估信息在信道传输过程中的各个参数，为后续的后处理环节提供参数，并影响最终的密钥率。因此，有必要完成有效且精确的参数估计。

2、在自由空间信道中，大气湍流等传输效应会导致传输量子信号的传输畸变，严重降低系统性能，恶化通信质量。因此，开展适用于自由空间的数据后处理技术是非常迫切及有必要的。后处理技术的实现，既能充分发挥自由空间信道的优势，又能避免信道波动对系统性能的影响，从而推动量子通信在自由空间信道中的进一步发展。最近，关于自由空间参数估计方案被相继提出，例如：g.chai等提出了一种基于最大似然估计和子信道理论的大气链路参数估计方法，r.laszlo等提出了一种对大量传输数据进行聚类的估计方案，g.chai等研究了自由空间的盲参数估计。

3、上述现有方法虽然已在自由空间cvqkd系统中得到有效应用，但其基本原理是将自由空间信道划分为一系列稳定的子信道，在划分子信道的过程中可能出现划分不标准或划分错误的问题，并且其没有系统性地考虑信道整体特性。因此，亟需建立一种自由空间信道下的稳健的参数估计方法，可以整体性的考虑信道波动性对系统传输的影响、实现在自由空间信道下同时具备稳健性和高精度的参数估计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于,提供一种自由空间连续变量量子通信系统贝叶斯参数估计方法，用以解决现有自由空间信道中稳健性和精度待加强、需要考虑信道的整体波动性等技术问题。

2、为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

3、一种自由空间连续变量量子通信系统贝叶斯参数估计方法，包括如下步骤：

4、步骤1、采用贝叶斯随机效应模型，构建自由空间信道的先验信息p(t)；

5、步骤2、利用压缩感知设计导频信号，通过导频信号获取信道状态信息p(y|t)；

6、步骤3、根据步骤1得到的稳健的先验信息p(t)和步骤2得到的信道状态信息p(y|t)，利用贝叶斯估计，实现自由空间信道下系统参数的估计。

7、进一步的，所述步骤1中，所述自由空间信道下系统参数的先验信息p(t)为椭圆模型下信道透射率t的概率分布和闪烁模型下信道透射率t的概率分布的联合分布。

8、进一步的，所述步骤2的具体操作如下：

9、步骤2.1、在发送方alice端产生导频信号，传输到接收方bob端；

10、步骤2.2、接收方bob端利用压缩感知技术，对所接收的导频信号完成重构，得到重构后的导频信号；

11、步骤2.3、利用步骤2.2得到的重构后的导频信号的统计特性，完成对信道状态信息p(y|t)的估计。

12、进一步的，所述步骤2.1中，使用连续波激光器在发送方alice端产生弱相干光，通过幅度调制器将其处理为脉冲信号，利用非平衡分束器将脉冲信号分为量子信号和导频信号，通过偏振复用与时分复用将量子信号和导频信号经过自由空间信道传输到接收方bob端。

13、进一步的，所述步骤3包括如下操作：

14、系统参数贝叶斯估计值由下式得到：

15、

16、

17、式中，p(t|y)表示t的后验信息。

18、本发明与现有技术相比，具有以下技术特点：

19、本发明针对自由空间量子信道，实现了一种连续变量量子通信贝叶斯参数估计方法，本发明的方法使用导频信号来完成参数估计，能够有效节约量子资源，且对导频信号的位置和长度的设计能够在保证精度的同时充分利用导频资源，使得两方面达到一个平衡。现有技术下参数的估计值容易受到量子信号的幅度衰减和相位起伏的影响，而本发明的方法在综合考虑振幅衰减和相位起伏的影响完成先验信息的构建，再利用信道状态对先验信息进行修正，最后可以获得更精确的后验信息。实现自由空间信道下的系统参数估计。因此，本发明提出的贝叶斯估计方法，考虑了信道的整体特性，适用于具有波动特性的自由空间信道，为实现自由空间量子保密通信系统提供了后处理方案。

技术特征：

1.一种自由空间连续变量量子通信系统贝叶斯参数估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的自由空间连续变量量子通信系统贝叶斯参数估计方法，其特征在于，所述步骤1中，所述自由空间信道下系统参数的先验信息p(t)为椭圆模型下信道透射率t的概率分布和闪烁模型下信道透射率t的概率分布的联合分布。

3.如权利要求1所述的自由空间连续变量量子通信系统贝叶斯参数估计方法，其特征在于，所述步骤2的具体操作如下：

4.如权利要求3所述的自由空间连续变量量子通信贝叶斯参数估计方法，其特征在于，所述步骤2.1中，使用连续波激光器在发送方alice端产生弱相干光，通过幅度调制器将其处理为脉冲信号，利用非平衡分束器将脉冲信号分为量子信号和导频信号，通过偏振复用与时分复用将量子信号和导频信号经过自由空间信道传输到接收方bob端。

5.如权利要求1所述的自由空间连续变量量子通信贝叶斯参数估计方法，其特征在于，所述步骤3包括如下操作：

技术总结
本发明公开了一种自由空间连续变量量子通信系统贝叶斯参数估计方法：首先，通过贝叶斯随机效应模型完成自由空间信道的先验信息的构建。其次，通过导频信息获取信道状态信息，由于自由空间信道的稀疏性，使用压缩感知技术实现导频信号的高效设计和精确重构。最后，利用先验信息和信道状态信息，实现自由空间信道下的系统参数估计。因此，本发明提出的贝叶斯估计方法考虑了信道的整体特性，适用于具有波动特性的自由空间信道，为实现自由空间连续变量量子保密通信系统提供了一种后处理方案。

技术研发人员：柴庚,张婧羽,梁可心,曹正文,彭进业
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13