[发明专利]一种适用于双场量子密钥分发系统的全局相位跟踪预测方法

说明书

本发明公开了一种适用于双场量子密钥分发系统的全局相位跟踪预测方法，其中设计了一种专门搭载于现场可编程门阵列FPGA上的时间感知序列‑序列网络S2S，根据实时采集的二相扫描计数与外界环境参数，跟踪预测其后多个时间点的全局相位变化，跟踪预测结果后续用于实时补偿相位扰动，保证长时间全局相位稳定。本发明带来的有益效果可以极大地提升双场量子密钥分发系统的占空比，减少校准耗时，提高系统整体效率。本发明不仅限于应用于实时相位补偿，也同样适用于后相位估计的双场量子密钥分发协议。

技术领域

本发明属于量子信息技术领域，具体涉及双场量子密钥分发系统(TF-QKD)中信道对全局相位的扰动问题。

背景技术

量子密码是量子通信的核心，它的安全与否直接决定着量子通信系统的安全性。量子密码的安全性建立在量子力学的基本原理之上，同时通过结合香农提出的“一次一密”(OTP)定理，原则上可以为合法用户(Alice、Bob)提供无条件安全性的量子通信。近年来，研究者们提出的TF-QKD协议与系统在理论上和实验上均取得了巨大的进步，该协议可以打破无量子中继条件下码率的线性界，为超远程量子保密通信提供了可能。但是现有的双场量子保密通信系统因其类似等臂马赫泽勒干涉环的结构，导致其特别敏感信道带来的相位干扰。这种相位干扰会直接导致单光子干涉的结果不理想，进而使得误码增大。因此，保证Alice和Bob的全局相位稳定是实现安全稳定的双场量子密钥分发的前提。现有稳定全局相位的技术手段主要为二相扫描或四相扫描结合时分复用等，此类方法往往需要一半甚至更多的时间完成相位点的扫描，导致系统整体效率较低，同时此类方法校准全局相位的准确率也较低，导致码率起伏很大。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种适用于双场量子密钥分发系统的全局相位跟踪预测方法，该方法应用于TF-QKD系统中。TF-QKD系统的工作模式分为两个阶段：量子光阶段和参考光阶段。在参考光阶段，本发明利用搭载于现场可编程门阵列(FPGA)上的时间感知序列-序列网络S2S模型跟踪预测全局相位，预测结果用于实时补偿信道带来的相位扰动，保证单光子干涉稳定。

本发明的一种适用于双场量子密钥分发系统的全局相位跟踪预测方法，包括如下步骤：

步骤1，构建滤波矩阵Filter matrix用于对探测器的计数进行滤波，得到纯净的计数；

步骤2，构建T-LSTM网络的输入向量x_t，输入向量x_t包括通过滤波矩阵获得的纯净计数S_t、t时刻的温度T_t和湿度H_t；不同时刻的输入向量组成输入时间序列，通过注意力层Attention layer计算时间序列中各输入向量的权重；

步骤3，将带有权重的时间序列输入到T-LSTM网络，计算并预测全局相位。

进一步的，步骤1中构建滤波矩阵Filter matrix对探测器的计数进行滤波，得到纯净的计数，具体为：

对相位调制PM施加任意的初始电压V_i，持续时长T，并记录在此期间探测器两个通道的计数然后将电压提高半个PM的半波电压V_half，即施加电压V_i+V_half/2，再持续T，记录在此期间探测器两个通道的计数

滤波矩阵的噪声抑制过程可以表示为

其中可以表示神经网络。

进一步的，注意力层Attention layer计算时间序列中各输入向量的权重a_n，公式如下：

其中表示所有输入向量并列而成的矩阵，W_a为训练获得的权值，softmax为归一化指数函数。