[实用新型]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

技术领域

本实用新型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

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：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。

在现有的技术方案中，信道偏振反馈补偿一般采用与量子信道共信道传输(同向/背向)来实现链路偏振态检测并进行反馈补偿，主要包括通过对单一偏振态参考光进行偏振变化跟踪，通过旋转波片或者其他调制补偿方式来实现链路传输偏振补偿；另外，也有相关研究人员采用两个不同中心波长的非正交偏振态进行偏振和跟踪反馈方案。

在现有的技术方案中，利用单一偏振态的参考光进行偏振补偿很难对链路进行比较准确的偏振态补偿还原，一般使用一对正交偏振光(H和V)进行复用通信，仅需使用稳偏器件对单偏振态进行跟踪反馈即可。而量子保密通信使用BB84协议的二对非正交偏振态(H，P和V，N)进行偏振复用。在同一根光纤中传输，不仅H偏振态和P偏振态在邦加球上变化关系为Stokes矢量夹角45*2度约束关系(比如H若定义为邦加球S1轴，则P可能变化到S2所在径线上任意一点)，而且电偏振控制器每一轴对偏振调节是相互关联影响，因此实现快速全偏振态复原至少需同时对两个非正交偏振态(FH和FP)进行跟踪和反馈才能补偿链路偏振变化。偏振补偿方式应对外界偏振变化频率高、扰动较大的环境也存在响应频率较慢的问题，难以保证QKD系统稳定持续的运行成码。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供了一种能够解决上述链路偏振补偿及响应速率慢的问题，较大提高复杂信道量子密钥分发系统的环境适应性的快速偏振反馈补偿装置及复杂信道量子密钥分发系统。