[发明专利]一种基于扩展卡尔曼滤波降低QKD系统误码率的系统及方法

说明书

本发明提供一种基于扩展卡尔曼滤波降低QKD系统误码率的系统及方法，采用扩展卡尔曼滤波算法来实时获取相位漂移参数值，利用相位与电压的关系，将最终的电压差通过反馈链路送达接收端的相位调制器，从而控制相位调制器相位的变化，达到实时的主动相位补偿。本发明的基于扩展卡尔曼滤波降低QKD系统误码率的系统及方法减少了获取相位漂移参数的运算量和运行时间，加快了相位漂移参数曲线的收敛速度，实现了实时获取相位漂移参数，收敛速度快，效率高；提高了QKD系统的稳定性，降低了误码率；只采用数学方法就可求得相位漂移参数，不需要增加硬件和软件设置，且计算量小；实现了QKD系统的长距离传输。

技术领域

本发明涉及量子通信的技术领域，特别是涉及一种基于扩展卡尔曼滤波降低量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)系统误码率的方法及系统。

背景技术

量子通信以量子物理学与密码学为基础，结合海森堡测不准原理和不可克隆定理等基本特性，因其容量大、安全性高、对窃听行为可检测等优点为信息的安全传输提供了新的思路，成为一种新兴的通信技术。而对于量子通信的误码问题，主要有两个来源：一个是由于窃听者的窃听行为造成的；另一个是系统的不稳定性造成误码，属于量子密钥分发技术上的问题。

现有解决误码率的技术方案主要包括以下两种：

(1)首先在主动相位补偿的阶段，窃听者通过调节插入在长程光纤中相位调制器改变发送端发送的单光子波包之间的相位差，使发送者的四个工作点的量子态变成非标准BB84状态；其次在量子密钥分发阶段，窃听者对发送端发送给接收端的量子态进行截获测量并重发。但是，该方法主要是从窃听行为的安全性考虑，并没有解决相位漂移问题，且只采集了四个特征性的工作点，没有做到大量数据验证，结果的精准度不能得到保证。

(2)首先进行相位估计，利用求互相关方式计算相位漂移的角度；其次进行相位补偿，根据估计的相位漂移值，对数据进行相位补偿。但是，该方法用互相关性求相位漂移角度，每次至少需要计算完一组数据才可以得出相位差，实时性差，效率低，且运行时间长，导致精确度低，不适合进行长距离传输。

QKD系统是一种新兴的通信技术，已经广泛应用于军事、电子商务等领域。但QKD系统在信息传输过程中，容易受到外界环境的影响，尤其是相位漂移问题，严重影响系统的稳定性和抗干扰性，使得信息传输产生较大的误码率。

现有技术中，已有多种技术方案来解决QKD系统相位漂移的问题。如申请号为201410179045.X，发明名称为《一种基于单向量子密钥分发系统主动相位补偿的攻击方法》公开一种基于单向量子密钥分发系统主动相位补偿的攻击方法，包括两部分：第一部分，在主动相位补偿的阶段，Eve通过在量子信道中插入相位调制器，对其进行选择性相位调制，以改变Alice发送的量子态所携带的相位信息，使其变成非标准BB84状态；第二部分，在量子密钥分发阶段Eve做攻击，Eve截获Alice发送给Bob的量子态，并选择测量算子M0进行半正定算子POVM测量，在得到测量结果后，以α:β的比例随机的发送标准的BB84状态0和给Bob，其中α+β＝1。再如，申请号为201410567665.0、发明名称为《一种量子密钥分发系统相位补偿方法》公开一种量子密钥分发系统相位补偿方法，包括步骤如下：步骤A：相位估计步骤，是指利用求互相关方式计算相位漂移的角度；步骤B：相位补偿步骤，是指根据步骤A所估计的相位漂移值，对数据进行相位补偿。

然而，上述现有的解决QKD系统相位漂移方案中，若采集的数据点不够，则没有说服力，而且会产生更大的误码率；若采集的数据点足够多，则计算量大，每次都需对一组数据进行计算结束，才可得出相位漂移值，导致得出相位漂移结果的时间长，实时性差，不能将结果实时反馈给系统，增大了系统的误差。

发明内容