[发明专利]一种快速偏振反馈补偿装置及复杂信道量子密钥分发系统

说明书

本发明公开了一种快速偏振反馈补偿装置，其中，发送方偏振参考光制备模块连接到发送方波分复用装置，发送方波分复用装置通过量子信道连接电偏振控制器，电偏振控制器输出端连接接收方波分复用装置，接收方波分复用装置的输出端连接接收方偏振检测模块，接收方偏振检测模块中的探测器通过反馈控制装置连接到电偏振控制器。本发明还公开一种基于上述补偿装置的量子密钥分发系统。本发明相比现有技术具有以下优点：采用单一波长制备的固定延时、45°夹角的两种非正交态线偏振参考光，接收方实现同时对两种不同偏振态线偏振参考光的高速、实时检测及同步反馈补偿。

技术领域

本发明主要涉及通信技术领域，也包括经典光通信方面，对偏振特性较为敏感的光传输链路实现高速偏振反馈补偿，实现复杂信道的量子密钥分发。

背景技术

在光系统中，BB84协议使用四个光子的偏振态来传输信息，这四个量子态又可以分成相互非正交的两组，而且每组中的两个光子的偏振态是正交的同时这两组又是相互共轭的。如果是单光子通信系统，则这四个量子态分别为光子的水平偏振态H|(记作→)、垂直偏振态V(记作↑)、4π偏振方向的偏振态P|(记作↗)、4π-偏振方向的偏振态N|(记作↘)。其中，前两个态为一组测量基，后两个态为一组测量基。当发送方Alice与接收者Bob进行通信时，不是只使用某一组测量基，而是按照一定的概率同时使用两组测量基。BB84协议的工作过程如下：

第一阶段

量子通信

1)Alice以线偏振光子的四个偏振方向为基础产生一个随机量子比特串S＝﹛S₁，S₂，S₃，……S_n﹜，其中S_i∈﹛|→〉，|↑〉，|↗〉，|↘〉﹜(i＝1，2，3，……n)。

2)Alice通过量子传输信道将该量子比特串发送给Bob，其中相邻量子比特间的时间间隔为Δτ。

3)接收者Bob接收信息发送方Alice传输的信息，并选定一个随机测量基序列M测量他收到的光子，其中M＝﹛m₁，m₂，m₃，……m_n﹜，其中m_i∈﹛+，x﹜，+，x分别为针对两组状态光子的测量基。

第二阶段

经典通信

4)接收者Bob发送信息给信息发送方Alice，并告知他自己在哪些量子比特位上使用了哪一个测量基。

5)信息发送方Alice在接收到Bob发送的信息之后，与本人发送时采用的基逐一比对，并通知接收者Bob在哪些位置上选择的基是正确的，哪些是错误的。

6)信息发送方Alice和接收者Bob丢掉测量基选择有分歧的部分并保存下来使用了同一测量基的粒子比特位，并从保存的信息中选取相同部分在经典信道中作对比。信道安全的情况下信息发送方Alice和接收者Bob的数据应当是没有分歧的。若存在窃听，则Alice和Bob的数据会出现不同的部分。

7)如果没有窃听，双方将保留下来的剩余的位作为最终密钥，Alice和Bob按照下面的方式将量子态编码成二进制比特：|→〉＝|↗〉＝0，|↑〉＝|↘〉＝1获得原始密钥。

基于偏振编码的诱骗态BB84方案具有技术易控、工作频率高、成码率高等优势；但在诸如电力架空光缆、桥梁架空光缆、高速公路通信光缆、铁路通信光缆、山区通信光缆和海底光缆等恶劣环境中，光子的偏振态因剧烈环境影响而发生不可预见的偏振变化，严重影响正常的量子密钥分发过程。因此基于偏振编码的量子保密通信需开发出快速偏振反馈补偿系统来解决这个重要难题，保障量子通信设备在全地理条件和全天候条件的环境适应性。