一种QKD接收端参考系同步校准与验证的方法及系统与流程

本发明属于量子通信，公开了一种qkd接收端参考系同步校准与验证的方法及系统。

背景技术：

1、在量子密钥分发（quantum key distribution，qkd）的实际应用中，当面临来自外部环境影响或内部组件不完善所带来的干扰时，需要高效的反馈控制以实现qkd系统发射端调制参考系和接收端解调参考系的一致性，如果上述两个参考系不一致，将导致qkd系统接收端在解调过程引入较高的错误，最终导致qkd系统无法正常运行。对于目前应用最为广泛的诱骗态bb84协议，当系统错误率大于11%时，qkd系统将无法产生量子密钥。因此，实现准确的参考系校准是非常重要的。

2、为了解决上述问题，现有方案常采用“参考系校准+参考系校准验证”的方式实现，具体过程以相位编码qkd系统为例概述如下：

3、参考系校准：如图1所示，首先，qkd系统发射端设置相位标定光l0的光强，并产生相位标定光通过量子信道发送至接收端。然后，qkd系统发射端通过经典信道发送相位校准命令至接收端，接收端采用“粗颗粒度相位搜索+细颗粒度相位搜索”获取相位校准值。

4、参考系校准验证：如图2所示，首先，qkd系统发射端产生相位标定光l1通过量子信道发送至接收端。然后，qkd系统发射端通过经典信道发送相位校准验证命令至接收端，接收端验证反向对比度是否满足要求。

5、上述方案存在如下技术问题：

6、1、通信开销大：由于参考系校准与验证分步执行，校准与验证均需要发送单一量子态脉冲序列，导致系统整体响应延迟长、通信开销大，影响密钥生成速率；

7、2、故障诊断困难：由于参考系校准和验证分步执行，若最终验证失败，无法明确判断问题根源在于“校准阶段的相位搜索不准确”还是“验证阶段的反向对比度测量异常”，导致系统调试困难、维护成本高。

技术实现思路

1、为解决现有qkd系统中参考系校准与验证分步执行、需发送两次单一量子态脉冲序列导致的通信开销大、故障诊断困难的问题，本技术提供一种qkd接收端参考系同步校准与验证的方法及系统。

2、第一方面，本技术提供一种qkd接收端参考系同步校准与验证的方法，采取如下技术方案：

3、接收校准光脉冲序列：接收qkd发射端依据伪随机序列制备的对应校准光脉冲序列，为序列和的索引，第个校准光脉冲对应于伪随机数；，为≥2的正整数；，，为整数；序列含有至少两种光量子态；

4、设定校准值序列：设定校准值序列，为校准值采样点数，为正整数；校准值序列索引为，，为正整数；

5、设定测量算子序列：设定测量算子序列；为测量算子数量，为正整数；测量算子序列索引为，，为整数；

6、统计原始探测计数值：当校准值为时，采用测量算子对校准光脉冲序列进行探测，统计原始探测计数值；

7、修正原始探测计数值：对原始探测计数值进行修正，得到修正后探测计数值；

8、对数据序列进行拟合：对共计个数据序列分别进行拟合，获取拟合结果序列；

9、将拟合结果重新排序：将拟合结果序列根据取值大小进行重排序，得到一个新的数据序列；

10、获取数据序列的统计量和，其中为最小值的统计量，为最大值的统计量；为数据序列的索引，；

11、参考系校准与验证：若和均不大于统计量的临界值，则判定参考系校准成功，最终参考系校准结果为；若或大于统计量的临界值，判定参考系校准失败。

12、进一步地，中的每个元素制备光脉冲的方式为：

13、当时，制备的光量子态为，当时，制备的光量子态为，……，当时，制备的光量子态为；

14、对于某一个光量子态，其表达式为：

15、

16、其中，为复数相位因子；为虚数单位；中为互不相同的量子态，即：对于任意，满足量子保真度。

17、进一步地，校准值序列中的每个元素为：

18、

19、其中，为初始校准值；为相邻校准值之间的步长，需满足小于1/2相位周期，相邻校准值之间的步长是可变的；为校准值采样点数，需满足校准值序列覆盖至少一个完整相位周期；，为正整数。

20、进一步地，测量算子序列中的每个元素其表达式为：

21、

22、其中，为复数相位因子，用于控制测量算子的方向；为虚数单位；中为互不相同的测量算子，即：对于任意，满足。

23、进一步地，修正原始探测计数值，得到修正后探测计数值时，具体如下：

24、修正后探测计数值的计算方法为：

25、

26、其中，为死时间参数。

27、进一步地，修正原始探测计数值，得到修正后探测计数值时，具体如下：

28、

29、其中，为死时间参数。

30、进一步地，对共计个数据序列分别进行拟合，获取拟合结果序列时，采用迭代加权最小二乘法，具体如下：

31、6-1、设定拟合目标函数

32、将数据序列建模为目标函数：

33、

34、其中，、为振幅系数；，；为角频率；为校准值；为相位偏移；为垂直偏移；需要估计、、；

35、6-2、初始化参数

36、为特征矩阵，为响应向量：

37、

38、第一轮、、的估计值分别为、、，计算方法如下：

39、

40、计算校准值下的初始拟合值：

41、

42、校准值下的初始化权重为：

43、

44、6-3、构建权重矩阵，其中为迭代轮次索引，从1开始；

45、根据第轮的估计值和权重，通过加权最小二乘法计算出第下一轮的、、的估计值，即、、：

46、

47、其中，表示第轮的拟合值；

48、6-4、更新拟合值和权重值

49、拟合值计算方式为：

50、

51、

52、

53、新的权重值为：

54、

55、6-5、收敛判断

56、如果＞迭代收敛阈值，则重复步骤6-1至6-5；

57、如果≤迭代收敛阈值，则迭代结束，计算得到第一个拟合结果。

58、进一步地，将拟合结果序列根据取值大小进行重排序，得到数据序列时，具体如下：

59、数据序列满足：

60、

61、其中为数据序列中的最小值，为数据序列中的最大值。

62、第二方面，提供一种qkd接收端参考系同步校准与验证的系统，用于实现如第一方面所述的qkd接收端参考系同步校准与验证的方法，所述系统包括：

63、校准光脉冲序列接收模块，基于与qkd发射端约定生成的伪随机序列，接收qkd发射端制备的含有至少两种光量子态的校准光脉冲序列；

64、探测计数值采集模块，依据校准值，采用测量算子对校准光脉冲序列中的光量子态进行探测计数，获取原始探测计数值；

65、探测计数值修正模块，用于对原始探测计数值进行修正，剔除死时间后，得到修正后探测计数值；

66、曲线拟合处理模块，采用迭代加权最小二乘法对数据序列{}进行拟合，获取拟合目标函数，计算拟合目标函数的拟合结果；

67、校准值验证与输出模块，用于对所述拟合结果进行正确性验证，并输出最终参考系校准值。

68、第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面所述qkd接收端参考系同步校准与验证的方法的步骤。

69、本发明的有益效果如下：

70、本技术通过对基于伪随机序列制备的参考系校准光脉冲序列（包含至少两种光量子态）进行探测计数，对修正后的探测计数值进行拟合获取拟合结果。发送一次校准光脉冲序列即可同步完成参考系校准和验证两个功能，降低了由于参考系校准与验证分步执行造成的通信开销，提升了参考系校准效率。

71、通过对拟合结果的分析，可反推判断发射端量子态制备精度与接收端测量系统性能，从而支持故障溯源与系统自诊断能力，增强qkd系统的鲁棒性与部署灵活性。