[发明专利]一种量子保密通信中基于模分复用的偏振反馈补偿方法和系统

说明书

本发明提供一种量子保密通信中基于模分复用的偏振反馈补偿方法和系统，包括步骤：S1、出射信号光和参考光；S2、将信号光和参考光耦合后经过同一根少模光纤信道传输；S3、接收耦合后的信号光和参考光并将信号光和参考光进行一次分束；S4、探测信号光并实时检测参考光，并判断参考光是否符合预设条件；若符合，则继续检测；若不符合，则进入步骤S5；S5、反馈参考光的偏振态，并根据参考光的偏振态对信号光的偏振态进行调整。无需频繁中断QKD业务，保证量子密钥分发持续进行，提高了系统工作效率，对于高速量子密钥分发网络的建设有积极的推动意义。不会占用额外的波长信道资源，在组建大规模量子保密通信网络时，具有客观的经济效益。

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种量子保密通信中基于模分复用的偏振反馈补偿方法和系统。

背景技术

量子保密通信与经典加解密相比，具有无条件安全的特性。随着相关关键技术的不断发展，量子保密通信已经逐渐从实验室走向实际工程化应用，为金融、电力、政务及国家安全等领域信息业务提供量子安全保障。

目前量子保密通信采用单模光纤信道作为传输介质，量子信号光以单模形式在光纤中传输。

量子保密通信包含发送端Alice和接收端Bob。在发送端(Alice)对量子信号光进行偏振编码，偏振编码采用四个非正交态作为量子信息态，且四个态分别属于两组共轭基矢，每组基矢内的两个态都是相互正交的。这四个量子信息态分别为水平偏振态H(记作→)、垂直偏振态V(记作↑)、+45°偏振态P(记作↗)、-45°偏振态N(记作↘)。水平偏振态H和垂直偏振态V互为一组测量基矢+，+45°偏振态P和-45°偏振态N互为一组测量基矢×。基于BB84协议进行量子保密通信过程如下：

(1)Alice随机选择H、V、P、N四种偏振态中任一种偏振态的单光子发送给接收端Bob。

(2)Bob随机选择+或×测量基矢来测量接收到的光子偏振态。

(3)Bob公布其检测偏振态时所采用的测量基矢给Alice，Alice告诉Bob哪些测量基矢是正确的，并且保留下来，其余全部丢弃掉。

(4)Alice和Bob保留选择相同基矢的偏振态，按照约定将其转化为二进制序列。水平偏振态H和+45°偏振态P代表“0”比特，垂直偏振态V和-45°偏振态N代表“1”比特。

(5)然后进行纠错、隐私放大等过程生成安全量子密钥。

然而在实际光纤通信链路中，铺设方式复杂，光纤易受外部环境影响。特别是架空光缆，由于架空光缆一般都铺设在离地十几甚至数十米的高空中，光缆极易受到大风、雨雪冰雹等气候的干扰，频繁的环境扰动引起光纤双折射效应，使得光纤中光偏振态发生不可预见的剧烈变化，从而对基于偏振编码的量子密钥分发(QKD)系统造成严重影响，系统甚至无法正常工作。因此，需要提供一种偏振反馈补偿系统来解决上述问题。偏振反馈补偿系统可以保证经过光纤信道接收到的光子的偏振态与发射的光子偏振态一致或者几乎一致(允许较小的错误率)，从而能够保证量子保密通信系统在全天候条件及全地理条件的环境适应性。现有QKD偏振反馈补偿方法主要包括两种，一种是基于时分复用技术，另一种是基于波分复用技术。

对于采用时分复用偏振反馈补偿的QKD系统，系统需要频繁启动偏振反馈补偿，从而会频繁中断QKD业务。现有技术公布的一种基于时分复用偏振反馈补偿的QKD系统。首先，系统会设定错误率阈值，QKD系统会根据量子密钥分发过程中的错误率进行判断，如果错误率多次超过所设定的错误率阈值，会启用时分复用偏振反馈。首先进行HV基矢反馈，偏振反馈模块请求激光器发出单一的H光，通过调节接收端电偏振控制器直至反馈到H/V对比度达到设定值为止。之后进行+/-基矢反馈，偏振反馈模块请求激光器发出单一的+光，通过调节接收端电偏振控制器直至反馈到+/-对比度达到设定值为止，反馈过程结束。接着再继续进行新周期的量子密钥分发业务。