[发明专利]基于相位编码的量子密钥分发系统中相位波动测试方法

权利要求书

1.一种基于相位编码的量子密钥分发系统中相位波动测试方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，改进基于相位编码的量子密钥分发系统：

改进后的基于相位编码的量子密钥分发系统由Alice端和Bob端组成，两端通过1m长信道相连；Bob端由激光发生器、第一经典光探测器和第二经典光探测器、示波器、环形器、光分束器、函数信号发生器、低通滤波器、第一相位调制器、偏振旋转器、偏振分束器组成；Alice端由延迟传输信道、第二核心微控制器、第二相位调制器、法拉第镜组成；

激光发生器与环形器的第一端口通过光纤相连，将产生的激光发送给环形器；环形器第二端口与光分束器的一个输入端口通过光纤相连，将从第一端口接收到的激光发送到光分束器，环形器第三端口连接第二经典光探测器，将从第二端口接收的激光发送给第三端口连通的第二经典光探测器；两经典光探测器通过电缆连接示波器，将光信号转化为电信号；示波器将从两个经典光探测器接收到的电信号显示在屏幕上；光分束器一个输入端口与环形器的第二端口相连，另一输入端口连接第一经典光探测器，光分束器输出的两端口分别连接路径长短不同的两个传输信道，其中长路径传输信道上装有第一相位调制器和偏振旋转器，两条传输信道通过光纤连接到偏振分束器的两个输入端口；函数信号发生器与低通滤波器相连，函数信号发生器产生电压信号并将电压信号发送给低通滤波器；低通滤波器与函数信号发生器、第一相位调制器相连，低通滤波器滤去从函数信号发生器接收的电压信号中的高频噪声，产生更稳定的电压信号，将更稳定的电压信号作为控制信号发送给Bob端的第一相位调制器；第一相位调制器与光分束器、低通滤波器、偏振旋转器相连，第一相位调制器接收来自低通滤波器的电压信号，对从来自偏振旋转器的光信号相位进行调制；偏振旋转器通过光纤与偏振分束器和第一相位调制器相连，接收来自偏振分束器的光信号并补偿其偏振状态；偏振分束器通过光纤与偏振旋转器、光分束器、Alice端的延迟传输信道相连，偏振分束器的两个输入端口分别从偏振旋转器、光分束器接收激光，将光信号中不同偏振方向的光输出到不同的输出端口，通过输出端口和1m长信道传输给Alice端的延迟传输信道；延迟传输信道与1m长信道、第二相位调制器相连，将从1m长信道接收到的光传递给第二相位调制器；第二相位调制器通过光纤与法拉第镜与延迟传输信道相连，通过电缆与第二核心微控制器相连，识别从法拉第镜反射回的光子的偏振状态，从而判断来自法拉第镜的光信号是否来自长路径传输信道；第二相位调制器在第二核心微控制器的控制下对法拉第镜反射回的长路径传输信道的光脉冲调制相位θ_A；法拉第镜通过光纤与第二相位调制器相连，将从第二相位调制器接收到的光子反射回第二相位调制器，并改变光子的偏振状态；

第二步，采用改进后的基于相位编码的量子密钥分发系统进行基于相位编码的量子密钥分发系统中相位波动的测试，方法是：

2.1预设函数信号发生器产生电信号的频率，方法是：将函数信号发生器产生电信号的频率设置为小于激光发射器的频率；

2.2低通滤波器对从函数信号发生器接收的电压信号进行滤波，过滤掉噪声，并将滤波后稳定的电压信号加载至Bob端的第一相位调制器；

2.3对函数信号发生器设置电压进行校准，方法是：

2.3.1.在第二核心微控制器上设置Alice端第二相位调制器调制的相位值θ_A＝0，同时设置Bob端的函数信号发生器电压值为0，使得第一相位调制器调制相位值θ_B＝0；两经典光探测器将光信号转换为电信号并传输给示波器，示波器同时显示两束光电信号能量；通过示波器观察第一经典光探测器处最弱的电信号，将此电信号能量记为D_1min，通过示波器观察第二经典光探测器处最大电信号，将此电信号能量记为D_2max；

2.3.2.保持θ_A不变，缓慢增大函数信号发生器输出的电压信号从而改变θ_B，使得第一经典光探测器处达到最大电信号，将此电信号能量记为D_1max，此时第二经典光探测器处有最小电信号能量，记为D_2min；记录下R＝D_1max/D_2max，R为光强补偿值；

2.3.3.降低函数信号发生器输出的电压信号，改变θ_B，使得在第一经典光探测器和第二经典光探测器处测得电信号能量分别为(D_1max-D_1min)/2和(D_2max-D_2min)/2，记录该时刻函数信号发生的电压信号U_π/2，此时第一相位调制器的相位调制值为θ_B＝π/2；

2.4设置不同相位调制值，测量第一经典光探测器和第二经典光探测器的光强，方法是：

2.4.1在第二核心微控制器上设置θ_A的值，使得θ_A＝π/2，同时将θ_B设置为0 即不加载电压至第一相位调制器，开启激光发生器使其开始发射光脉冲，第一经典光探测器和第二经典光探测器分别探测干涉光强，记录第一经典光探测器电信号能量D_1θA1，记录第二经典光探测器测得的电信号能量D_2θA1；设置激光发生器发出10⁵个脉冲后停止并等待第一经典光探测器和第二经典光探测器对10⁵个脉冲全部响应完毕，从第一经典光探测器，第二经典光探测器获得10⁵组电信号能量，存储于第一数组A1中，A1中有10⁵个元素，10⁵个元素是第一经典光探测器和第二经典光探测器对10⁵个脉冲分别产生的10⁵电信号能量组成的二元组，A1中第i个元素为第i个二元组(D_1θA1,D_2θA1)_i，1≤i≤10⁵；

2.4.2在第二核心微控制器上设置θ_A的值，使得θ_A＝π，同时将θ_B设置为π/2即利用函数信号发生器加载电压U_π/2至第一相位调制器，开启激光发生器使其开始发射光脉冲，第一经典光探测器和第二经典光探测器探测干涉光强，记录第一经典光探测器的电信号能量D_1θA2，第二经典光探测器测得的电信号能量D_2θA2；设置激光发生器发出10⁵个脉冲后停止并等待经典光探测器对10⁵个脉冲全部响应完毕，获得10⁵组电信号能量，存储于第二数组A2中，A2中的第i个元素为第i个二元组(D_1θA2,D_2θA2)_i；

2.4.3在第二核心微控制器上设置θ_A的值，使得θ_A＝3π/2，同时将θ_B设置为0，开启激光发生器使其开始发射光脉冲，第一经典光探测器和第二经典光探测器探测干涉光强，记录第一经典光探测器的电信号能量D_1θA3，第二经典光探测器测得的电信号能量D_2θA3；设置激光发生器发出10⁵个脉冲后停止并等待经典光探测器对10⁵个脉冲全部响应完毕，获得10⁵组电信号能量，存储于第三数组A3中，A3中的第i个元素为第i个二元组(D_1θA3,D_2θA3)_i；

2.4.4在第二核心微控制器上设置θ_A的值，使得θ_A＝0即不加载电压至第二相位调制器，同时将θ_B设置为π/2，开启激光发生器使其开始发射光脉冲，第一经典光探测器和第二经典光探测器探测干涉光强，记录第一经典光探测器的电信号能量D_1θA4，第二经典光探测器测得的电信号能量D_2θA4；设置激光发生器发出10⁵个脉冲后停止并等待经典光探测器对10⁵个脉冲全部响应完毕，获得10⁵组电信号能量，存储于第四数组A4中；此时A4的结果为没有第二相位调制器引入相位波动情况下系统自带的相位波动，A4中的第i个元素为第i个二元组(D_1θA4,D_2θA4)_i；

2.5计算相位波动分布模型，方法是：

2.5.1用δ表示相位波动，推出相位波动δ的计算公式(1)：

θ_A’代表Alice端第二相位调制器的调制值；△代表理想相位差，即θ_A-θ_B的值；D_1θA为第一经典光探测器探测到的电信号能量，D_2θA为第二经典光探测器探测到的电信号能量；

2.5.2将A1中的10⁵组D_1θA1,D_2θA1的值作为D_1θA，D_2θA代入公式(1)，分别计算得到10⁵个相位波动δ的值，将它们绘制到坐标系中，得到相位波动分布曲线f1(x)，x为相位波动值，f1(x)为频率；

2.5.3将A2中的10⁵组D_1θA2,D_2θA2的值作为D_1θA，D_2θA代入公式(1)，分别计算得到10⁵个相位波动δ的值，将它们绘制到坐标系中，得到相位波动分布曲线f2(x)；

2.5.4将A3中的10⁵组D_1θA3,D_2θA3的值作为D_1θA，D_2θA代入公式(1)，分别计算得到10⁵个相位波动δ的值，将它们绘制到坐标系中，得到相位波动分布曲线f3(x)；

2.5.5将A4中的10⁵组D_1θA4,D_2θA4的值作为D_1θA，D_2θA代入公式(1)，分别计算得到10⁵个相位波动δ的值，将它们绘制到坐标系中，得到相位波动分布曲线f4(x)；f4(x)是θ_A＝0，θ_B＝π/2时的相位波动分布曲线，此时的波动为基于相位编码的量子密钥分发系统的波动，即噪音；

2.6对相位波动测试结果f1(x)、f2(x)、f3(x)进行降噪，方法是

使用高斯分布分解的方法来去除噪声，即

2.6.1使用f1(x)减去f4(x)得到θ_A＝π/2，θ_B＝0时的相位波动分布模型g1(x)， 即g1(x)＝f1(x)-f4(x)；

2.6.2使用f2(x)减去f4(x)得到θ_A＝π，θ_B＝π/2时的相位波动分布模型g2(x)， 即g2(x)＝f2(x)-f4(x)；

2.6.3使用f3(x)减去f4(x)得到θ_A＝3π/2，θ_B＝0时的相位波动分布模型g3(x)， 即g3(x)＝f3(x)-f4(x)；

g1(x)、g2(x)、g3(x)即为降噪后的相位波动测试结果,也即基于相位编码的量子密钥分发系统对基于相位编码的量子密钥分发系统中相位波动的测试结果。