CN111200494B - 用于量子安全直接通信***的相位补偿方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于量子安全直接通信***的相位补偿方法及***，量子安全直接通信***包括通信信息接收端、通信信息发送端以及两端之间的量子信道和经典信道，相位补偿方法包括：初始化量子安全直接通信***获得通信信息发送端初始调制电压；判断初始化后的量子信道的误码率是否超过阈值；若没有超过阈值返回判断误码率的步骤；若超过阈值，判断初始调制电压的漂移方向并估算电压漂移量；通信信息发送端根据初始调制电压的漂移方向和估算出的电压漂移量进行缩小范围的定步长扫描，得到通信信息发送端的新的调制电压；在通信信息发送端加载新的调制电压，返回判断误码率的步骤。上述方法及***对偏移相位进行快速调整。

Description

用于量子安全直接通信***的相位补偿方法及***

技术领域

本发明涉及量子安全通信技术领域，更具体地，涉及一种用于量子安全直接通信***的相位补偿方法及***。

背景技术

量子安全直接通信是利用经典的编码理论和窃听信道理论的一种量子通信形式。量子安全直接通信不需要量子存储器，不需要事先产生随机密钥，就可以在量子信道内简便、实时、安全地传输信息，在理论上可以实现绝对的安全。

量子安全直接通信与传统的光通信相比较，有着极大的不同。传统的光通信用的是强光，在对强光进行相位、偏振、幅度等进行调制时，环境变化对***的影响相对有限。而量子安全直接通信使用的是单光子，环境变化和***噪声对单光子影响较大，很容易造成相位漂移，所以需要对漂移的相位进行补偿。

发明内容

本发明提供一种对量子安全直接通信***偏移的相位进行快速调整的用于量子安全直接通信***的相位补偿方法及***。

根据本发明的一个方面，提供一种用于量子安全直接通信***的相位补偿方法，所述量子安全直接通信***包括通信信息接收端、通信信息发送端以及两端之间的量子信道和经典信道，所述相位补偿方法包括：

步骤S1，初始化所述量子安全直接通信***，获得通信信息发送端的初始调制电压；

步骤S2，通过上述初始调制电压相位调制产生光子序列，根据光子序列在通信信息接收端和通信信息发送端之间的传输获得量子信道的误码率，判断所述误码率是否超过阈值；

步骤S3，若没有超过阈值，返回步骤S2；

步骤S4，若超过阈值，利用通信信息接收端发送的光子序列和接收通信信息发送端返回的光子序列的基矢和经典比特判断初始调制电压的漂移方向并估算电压漂移量；

步骤S5，通信信息发送端根据初始调制电压的漂移方向和估算出的电压漂移量，进行缩小范围的定步长扫描，得到通信信息发送端的新的调制电压；

步骤S6，在通信信息发送端加载新的调制电压，返回步骤S2。

优选地，所述获得通信信息发送端的初始调制电压的步骤包括：

设定通信信息接收端的第一工作电压；

通信信息接收端产生单光子作为信息载体；

获得通信信息接收端的第一半波电压，包括：通过通信信息接收端的第一相位调制器采用第一工作电压对单光子在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，形成连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第一调制电压，其中，所述相位范围在π相位的设定范围内；将所述光子序列通过量子信道发送给通信信息发送端的第二探测器，所述第二探测器对接收的光子序列进行计数；将所述第二探测器接收的光子序列的计数作为纵坐标，其对应的通信信息接收端的第一调制电压为横坐标，构建坐标图；找到坐标图的极大值点和极小值点，相邻所述极大值点和极小值点对应的第一调制电压的差值为第一半波电压；

获得通信信息发送端的初始调制电压和第二半波电压，包括：通过通信信息接收端的第一相位调制器采用第一工作电压对单光子进行相位调制，形成光子序列，所述光子序列通过量子信道发送给通信信息发送端；通过信息发送端的第二相位调制器接收上述光子序列，并对接收的光子序列在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，获得连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第二调制电压，第二探测器接收所述连续变化的光子序列并计数，所述相位范围在π相位的设定范围内；将通信信息发送端的第二探测器的计数作为纵坐标，其对应的通信信息发送端的第二调制电压为横坐标，构建坐标图；找到坐标图的极值点，该极值点对应的横坐标为通信信息发送端的初始调制电压，所述极值点为极小值点或极大值点，通信信息发送端的第二半波电压为所述坐标图中相邻的极大值点和极小值点对应的第二调制电压的差值。

优选地，所述误码率的获得方法包括：

通信信息接收端产生单光子作为信息载体，在单光子上随机加载第一工作电压和第一半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第一光子序列，获得通信信息接收端的接收端逻辑信息，所述接收端逻辑信息包含所述第一光子序列的基矢和经典比特；

上述第一光子序列通过量子信道发送给通信信息发送端；

通过通信信息发送端的第二调制器在第一光子序列上随机加载初始调制电压和第二半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第二光子序列，第二探测器接收第二光子序列，获得发送端逻辑信息，所述发送端逻辑信息包括第二光子序列的经典比特、基矢以及发送时间；

通信信息接收端接收发送端逻辑信息，并按照发送端逻辑信息的发送时间找到对应的接收端逻辑信息；

筛选出发送时间对应的通信信息接收端的基矢和通信信息发送端的基矢相同的单光子；

在基矢相同的单光子中，筛选出通信信息接收端的经典比特和通信信息发送端的经典比特不相同的单光子；

获得误码率，将上述经典比特不相同的单光子的数量占基矢相同的单光子的数量的比例作为误码率。

进一步，优选地，所述判断初始调制电压的漂移方向并估算电压漂移量的步骤包括：

筛选出通信信息发送端和通信信息接收端的基矢不同的单光子；

获得第一概率，将基矢不相同的单光子中，经典比特相同的单光子的数量占基矢不相同的单光子的数量的比例作为第一概率；

当第一概率为1时，电压漂移量为

其中，V_half2为通信信息发送端的第二半波电压，漂移方向为预先设定的方向；

当第一概率为0时，电压漂移量为

漂移方向与预先设定的方向相反；

当第一概率为0.5时，无漂移；

当第一概率大于0.5小于1时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向为预先设定的方向；

当第一概率大于0小于0.5时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向与预先设定的方向相反。

优选地，步骤S5包括：

将通信信息发送端的初始调制电压作为调制范围的一个端点；

以初始调制电压与估算的电压漂移量的值之和作为调制范围的另一个端点；

在上述调制范围内，采用设定步长扫描出第二探测器统计数量的极值点，所述极值点对应的调制电压作为新的调制电压。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于量子安全直接通信***的相位补偿***，所述量子安全直接通信***包括通信信息接收端、通信信息发送端以及两端之间的量子信道和经典信道，所述相位补偿***包括：

初始化模块，初始化所述量子安全直接通信***，获得通信信息发送端的初始调制电压；

第一判断模块，通过上述初始调制电压相位调制产生光子序列，根据光子序列在通信信息接收端和通信信息发送端之间的传输获得量子信道的误码率，判断初始化后的量子信道的误码率是否超过阈值，若没有超过阈值，对初始化后的量子信道的误码率进行连续监测；若超过阈值，发送信号给第二判断模块；

第二判断模块，利用通信信息接收端发送的光子序列和接收通信信息发送端返回的光子序列的基矢和经典比特判断初始调制电压的漂移方向并估算电压漂移量；

更新模块，根据第二判断模块初始调制电压的漂移方向和估算出的电压漂移量，进行缩小范围的定步长扫描，更新通信信息发送端的初始调制电压，并发送信号给第一判断模块，判断采用更新后的通信信息发送端的初始调制电压初始化后的量子信道的误码率是否超过阈值。

优选地，所述通信信息接收端包括：

单光子源模块，用于产生单光子，作为信息的载体；

第一相位调制器，用于对单光子源模块产生的单光子进行相位调制，形成光子序列；

所述通信信息发送端包括：

第二相位调制器，用于对通信信息接收端的光子序列进行相位调制；

第二探测器，用于对接收的光子序列进行计数；

其中，所述初始化模块包括设定单元、第一半波电压获得单元、第二半波电压获得单元、初始调制电压获得单元和坐标图获得单元，其中：

所述设定单元，设定第一工作电压，发送给通信信息接收端，设定相位范围发送给通信信息接收端和通信信息发送端，所述相位范围在π相位的设定范围内；

所述第一半波电压获得单元，发送连续相位调制指令给第一相位调制器，发送接收指令给第二探测器，使得第一相位调制器采用第一工作电压对单光子在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，形成连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第一调制电压；第二探测器接收所述光子序列并进行计数，所述坐标图获得单元将第二探测器的计数作为纵坐标，其对应的第一调制电压为横坐标，构建坐标图，将坐标图返回第一半波电压获得单元，找到坐标图的极大值点和极小值点，相邻所述极大值点和极小值点对应的第一调制电压的差值为第一半波电压；

第二半波电压获得单元，发送相位调制指令给第一相位调制器，发送连续相位调制指令给第二相位调制器，其中，第一相位调制器采用第一工作电压对单光子进行相位调制，形成光子序列，通过量子信道发送给第二相位调制器；第二相位调制器对接收的光子序列在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，获得连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第二调制电压；第二探测器接收所述连续变化的光子序列并计数；坐标图获得单元将通信信息发送端的第二探测器的计数作为纵坐标，其对应的第二调制电压为横坐标，构建坐标图，将坐标图返给第二半波电压获得单元和初始调制电压获得单元；初始调制电压获得单元找到坐标图的极值点，该极值点对应的横坐标为通信信息发送端的初始调制电压，所述极值点为极小值点或极大值点；所述第二半波电压获得单元找到坐标图的极大值点和极小值点，将相邻的极大值点和极小值点对应的第二调制电压的差值作为第二半波电压。

优选地，所述第一判断模块包括：

第一光子序列获得单元，发送调制指令给第一相位调制器，在单光子上随机加载第一工作电压和第一半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第一光子序列，获得通信信息接收端的接收端逻辑信息，所述接收端逻辑信息包含所述第一光子序列的基矢和经典比特；

第二光子序列获得单元，发送调制指令给第二相位调制器，第二相位调制器通过量子信道接收第一光子序列，在第一光子序列上随机加载初始调制电压和第二半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第二光子序列，第二探测器接收第二光子序列，获得发送端逻辑信息，所述发送端逻辑信息包括第二光子序列的经典比特、基矢以及发送时间；

第一判断单元，判断发送时间对应的通信信息接收端的基矢和通信信息发送端的基矢是否相同，若基矢相同，发送信号给第二判断单元，若基矢不相同，发送信号给第二判断模块；

第二判断单元，判断通信信息接收端的经典比特和通信信息发送端的经典比特是否相同，发送信号给第一统计单元；

第一统计单元，统计基矢相同的单光子的总数以及基矢相同且经典比特不同的单光子的数量；

误码率获得单元，将第一统计单元统计的基矢相同且经典比特不同的单光子的数量占基矢相同的单光子的总数的比例作为误码率；

第三判断单元，断初始化后的量子信道的误码率是否超过阈值，若超过阈值，发送信号给第二判断模块；若不超过阈值，发送信号给第一光子序列获得单元。

优选地，所述第二判断模块包括：

第二统计单元，统计基矢不相同的单光子的总数和基矢不相同且经典比特相同的单光子的数量；

第一概率获得单元，将基矢不相同的单光子中，经典比特相同的单光子的数量占基矢不相同的单光子的数量的比例作为第一概率；

估算单元，根据第一概率获得单元的第一概率估算初始调制电压的电压漂移量和漂移方向，其中，当第一概率为1时，电压漂移量为

其中，V_half2为第二半波电压，漂移方向为预先设定的方向；当第一概率为0时，电压漂移量为

漂移方向与预先设定的方向相反；当第一概率为0.5时，无漂移；当第一概率大于0.5小于1时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向为预先设定的方向；当第一概率大于0小于0.5时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向与预先设定的方向相反。

上述用于量子安全直接通信***的相位补偿方法及***误码率低(可靠性高)，节省补偿时间(效率高)，通过对偏移的相位进行调整来使***持续稳定的运行。当误码率漂出安全范围可以立刻进行纠正；在尽可能短的补偿时间内得到更准确的相位补偿结果。利用在半波电压范围内扫描的方法找到补偿电压(新的调制电压)，只需要找到这段时间内探测器计数统计结果的最值；相对于在2π相位周期内进行扫描，扫描探测器计数在统计时间内的极小值(或极大值)，初始化过程又节约了50％的补偿时间。对于相位调制电压这一随着环境变化而时时在变化的量来说，扫描的时间越短，得到的结果时效性就越强，误码率就会越低。从测量数据可以看出，采用反馈补偿的方法可以将误码率严格控制在设定阈值以下，提高***的可靠性。

附图说明

图1是本发明所述用于量子安全直接通信***的相位补偿方法的流程图的示意图；

图2是本发明所述用于量子安全直接通信***的相位补偿***的构成框图的示意图；

图3是本发明所述用于量子安全直接通信***的相位补偿***的一个优选实施例的构成框图的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图1是本发明所述用于量子安全直接通信***的相位补偿方法的流程图的示意图，如图1所示，所述量子安全直接通信***包括通信信息接收端、通信信息发送端以及两端之间的量子信道和经典信道，所述相位补偿方法包括：

步骤S1，初始化所述量子安全直接通信***，获得通信信息发送端的初始调制电压；

步骤S2，通过上述初始调制电压相位调制产生光子序列，根据光子序列在通信信息接收端和通信信息发送端之间的传输获得量子信道的误码率，判断所述误码率是否超过阈值；

步骤S3，若没有超过阈值，返回步骤S2；

步骤S4，若超过阈值，利用通信信息接收端发送的光子序列和接收通信信息发送端返回的光子序列的基矢和经典比特判断初始调制电压的漂移方向并估算电压漂移量；

步骤S5，通信信息发送端根据初始调制电压的漂移方向和估算出的电压漂移量，进行缩小范围的定步长扫描，得到通信信息发送端的新的调制电压(对步骤S1的通信信息发送的初始调制电压进行更新)；

步骤S6，在通信信息发送端加载新的调制电压(更新后的初始调制电压)，返回步骤S2。

在一个实施例中，在步骤S1中，获得通信信息发送端的初始调制电压的步骤包括：

设定通信信息接收端的第一工作电压；

通信信息接收端产生单光子作为信息载体；

获得通信信息接收端的第一半波电压，包括：通过通信信息接收端的第一相位调制器采用第一工作电压对单光子在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，形成连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第一调制电压，其中，所述相位范围在π相位的设定范围内；将所述光子序列通过量子信道发送给通信信息发送端的第二探测器，所述第二探测器对接收的光子序列进行计数；将所述第二探测器接收的光子序列的计数作为纵坐标，其对应的通信信息接收端的第一调制电压为横坐标，构建坐标图；找到坐标图的极大值点和极小值点，相邻所述极大值点和极小值点对应的第一调制电压的差值为第一半波电压；

获得通信信息发送端的初始调制电压和第二半波电压，包括：通过通信信息接收端的第一相位调制器采用第一工作电压对单光子进行相位调制，形成光子序列，所述光子序列通过量子信道发送给通信信息发送端；通过信息发送端的第二相位调制器接收上述光子序列，并对接收的光子序列在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，获得连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第二调制电压，第二探测器接收所述连续变化的光子序列并计数，所述相位范围在π相位的设定范围内；将通信信息发送端的第二探测器的计数作为纵坐标，其对应的通信信息发送端的第二调制电压为横坐标，构建坐标图；找到坐标图的极值点，该极值点对应的横坐标为通信信息发送端的初始调制电压，所述极值点为极小值点或极大值点，通信信息发送端的第二半波电压为所述坐标图中相邻的极大值点和极小值点对应的第二调制电压的差值。

在步骤S2中，所述误码率的获得方法包括：

通信信息接收端产生单光子作为信息载体，在单光子上随机加载第一工作电压和第一半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第一光子序列，获得通信信息接收端的接收端逻辑信息，所述接收端逻辑信息包含所述第一光子序列的基矢和经典比特；

上述第一光子序列通过量子信道发送给通信信息发送端；

通过通信信息发送端的第二调制器在第一光子序列上随机加载初始调制电压和第二半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第二光子序列，第二探测器接收第二光子序列，获得发送端逻辑信息，所述发送端逻辑信息包括第二光子序列的经典比特、基矢以及发送时间；

通信信息接收端接收发送端逻辑信息，并按照发送端逻辑信息的发送时间找到对应的接收端逻辑信息；

筛选出发送时间对应的通信信息接收端的基矢和通信信息发送端的基矢相同的单光子；

在基矢相同的单光子中，筛选出通信信息接收端的经典比特和通信信息发送端的经典比特不相同的单光子；

获得误码率，将上述经典比特不相同的单光子的数量占基矢相同的单光子的数量的比例作为误码率。

优选地，所述通信信息接收端随机加载四个逻辑信号中的一个进行相位调制，所述四个逻辑信号包括：第一工作电压V₁，第二工作电压

第三工作电压V₃＝V₁+V_half1，第四工作电压

其中，V_half1为第一半波电压，优选地，采用二进制表示上述四个逻辑信号，例如四个工作电压分别为00、10、01和11，则接收端逻辑信息中的基矢为前一位数，即分别为0、1、0和1，经典比特为0、0、1和1；

所述通信信息发送端的有两个基矢信号，对应两个工作电压，分别为：第五工作电压V₅(步骤S1获得初始调制电压)，第六工作电压

第五工作电压V₅为相位补偿结果，第五工作电压和通信信息接收端的第一工作电压和第三工作电压为一组，第六工作电压和通信信息接收端的第二工作电压和第四工作电压为一组，在通信信息发送端有两个探测器，使属于一组的光子在探测之后都进入同一个探测器，例如，第二调制器的基矢，V₅为0，V₆为1，经过第二探测器接收后得到的经典比特为00、01、10和11，将第二探测器获得经典比特中的00进行舍去，将11随机变化为01或10，然后将01变为0，10变为1，使得第二探测器的经典比特变为1位数，与接收端逻辑信息的经典比特位数相同，方便获得误码率时的比较。

在步骤S4中，所述判断初始调制电压的漂移方向并估算电压漂移量的步骤包括：

筛选出通信信息发送端和通信信息接收端的基矢不同的单光子；

获得第一概率，将基矢不相同的单光子中，经典比特相同的单光子的数量占基矢不相同的单光子的数量的比例作为第一概率；

当第一概率为1时，电压漂移量为

其中，V_half2为通信信息发送端的第二半波电压，漂移方向为预先设定的方向；

当第一概率为0时，电压漂移量为

漂移方向与预先设定的方向相反；

当第一概率为0.5时，无漂移；

当第一概率大于0.5小于1时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向为预先设定的方向；

当第一概率大于0小于0.5时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向与预先设定的方向相反。

在步骤S5中，进行缩小范围的定步长扫描的步骤包括：

将通信信息发送端的初始调制电压作为调制范围的一个端点；

以初始调制电压与估算的电压漂移量的值之和作为调制范围的另一个端点；

在上述调制范围内，采用设定步长扫描出第二探测器统计数量的极值点，所述极值点对应的调制电压作为新的调制电压，也就是说，第二相位调制器在调制范围内进行定步长连续相位调制，形成变化的光子序列，第二探测器接收所述光子序列并计数，通过第二探测器的计数和上述调制范围的调制电压构成的坐标图，获得计数极值对应的调制范围内的调制电压作为通信信息发送端的新的调制电压。

上述相位补偿法具有误码率低(可靠性高)，节省补偿时间(效率高)的特点，从而解决量子安全直接通信中环境变化和***噪声对单光子影响较大，很容易造成相位漂移的问题。利用误码率反馈的方法，误码率超过阈值则***信息传输暂停，进行相位补偿，增加了***的可靠性；利用统计相关数据概率的方法，可以找到电压漂移方向并估算电压漂移量，从而进一步缩短扫描范围来节约补偿时间；时间越短，结果更准确，误码率更低；利用在半波电压范围内扫描的方法找到补偿电压，同时相对于在2π相位周期内进行扫描，进一步节约了补偿时间。

图2是本发明所述用于量子安全直接通信***的相位补偿***的构成框图的示意图，如图2所示，所述量子安全直接通信***10包括通信信息接收端1、通信信息发送端2以及两端之间的量子信道3和经典信道4，所述相位补偿***100包括：

初始化模块110，初始化所述量子安全直接通信***，获得通信信息发送端的初始调制电压；

第一判断模块120，通过上述初始调制电压相位调制产生光子序列，根据光子序列在通信信息接收端和通信信息发送端之间的传输获得量子信道的误码率，判断初始化后的量子信道的误码率是否超过阈值，若没有超过阈值，对初始化后的量子信道的误码率进行连续监测；若超过阈值，发送信号给第二判断模块；

第二判断模块130，利用通信信息接收端发送的光子序列和接收通信信息发送端返回的光子序列的基矢和经典比特判断初始调制电压的漂移方向并估算电压漂移量；

更新模块140，根据第二判断模块130初始调制电压的漂移方向和估算出的电压漂移量，进行缩小范围的定步长扫描，更新通信信息发送端的初始调制电压，并发送信号给第一判断模块，判断采用更新后的通信信息发送端的初始调制电压初始化后的量子信道的误码率是否超过阈值。

在一个实施例中，所述通信信息接收端1包括：

单光子源模块11，用于产生单光子，作为信息的载体；

第一相位调制器12，用于对单光子源模块11产生的单光子进行相位调制，形成光子序列；

所述通信信息发送端2包括：

第二相位调制器21，用于对通信信息接收端1的光子序列进行相位调制；

第二探测器22，用于对接收的光子序列进行计数；

在所述补偿***100中，所述初始化模块110包括设定单元111、第一半波电压获得单元112、第二半波电压获得单元113、初始调制电压获得单元114和坐标图获得单元115，其中：

所述设定单元111，设定第一工作电压，发送给通信信息接收端1，设定相位范围发送给通信信息接收端和通信信息发送端2，所述相位范围在π相位的设定范围内；

所述第一半波电压获得单元112，发送连续相位调制指令给第一相位调制器12，发送接收指令给第二探测器22，使得第一相位调制器12采用第一工作电压对单光子在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，形成连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第一调制电压；第二探测器22接收所述光子序列并进行计数，所述坐标图获得单元115将第二探测器22的计数作为纵坐标，其对应的第一调制电压为横坐标，构建坐标图，将坐标图返回第一半波电压获得单元112，找到坐标图的极大值点和极小值点，相邻所述极大值点和极小值点对应的第一调制电压的差值为第一半波电压；

第二半波电压获得单元113，发送相位调制指令给第一相位调制器12，发送连续相位调制指令给第二相位调制器21，其中，第一相位调制器12采用第一工作电压对单光子进行相位调制，形成光子序列，通过量子信道发送给第二相位调制器21；第二相位调制器21对接收的光子序列在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，获得连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第二调制电压；第二探测器22接收所述连续变化的光子序列并计数；坐标图获得单元115将通信信息发送端2的第二探测器22的计数作为纵坐标，其对应的第二调制电压为横坐标，构建坐标图，将坐标图返给第二半波电压获得单元113和初始调制电压获得单元114；初始调制电压获得单元114找到坐标图的极值点，该极值点对应的横坐标为通信信息发送端2的初始调制电压，所述极值点为极小值点或极大值点，所述第二半波电压获得单元113找到坐标图的极大值点和极小值点，将相邻的极大值点和极小值点对应的第二调制电压的差值作为第二半波电压。

在一个实施例中，上述第一判断模块120包括：

第一光子序列获得单元121，发送调制指令给第一相位调制器12，在单光子上随机加载第一工作电压和第一半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第一光子序列，获得通信信息接收端1的接收端逻辑信息，所述接收端逻辑信息包含所述第一光子序列的基矢和经典比特；

第二光子序列获得单元122，发送调制指令给第二相位调制器21，第二相位调制器21通过量子信道接收第一光子序列，在第一光子序列上随机加载初始调制电压和第二半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第二光子序列，第二探测器22接收第二光子序列，获得发送端逻辑信息，所述发送端逻辑信息包括第二光子序列的经典比特、基矢以及发送时间；

第一判断单元123，判断发送时间对应的通信信息接收端1的基矢和通信信息发送端2的基矢是否相同，若基矢相同，发送信号给第二判断单元124，若基矢不相同，发送信号给第二判断模块；

第二判断单元124，判断通信信息接收端1的经典比特和通信信息发送端2的经典比特是否相同，发送信号给第一统计单元；

第一统计单元125，统计基矢相同的单光子的总数以及基矢相同且经典比特不同的单光子的数量；

误码率获得单元126，将第一统计单元统计的基矢相同且经典比特不同的单光子的数量占基矢相同的单光子的总数的比例作为误码率；

第三判断单元127，断初始化后的量子信道的误码率是否超过阈值，若超过阈值，发送信号给第二判断模块；若不超过阈值，发送信号给第一光子序列获得单元121。

在一个实施例中，所述第二判断模块130包括：

第二统计单元131，统计基矢不相同的单光子的总数和基矢不相同且经典比特相同的单光子的数量；

第一概率获得单元132，将基矢不相同的单光子中，经典比特相同的单光子的数量占基矢不相同的单光子的数量的比例作为第一概率；

估算单元133，根据第一概率获得单元的第一概率估算初始调制电压的电压漂移量和漂移方向，其中，当第一概率为1时，电压漂移量为

其中，V_half2为第二半波电压，漂移方向为预先设定的方向；当第一概率为0时，电压漂移量为

漂移方向与预先设定的方向相反；当第一概率为0.5时，无漂移；当第一概率大于0.5小于1时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向为预先设定的方向；当第一概率大于0小于0.5时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向与预先设定的方向相反。

在一个实施例中，上述更新模块140包括：

第一更新单元141，根据估算单元发送的信号，将通信信息发送端2的初始调制电压作为调制范围的一个端点，以初始调制电压与估算的电压漂移量的值之和作为调制范围的另一个端点，发送给第二相位调制器21在上述调制范围内进行定步长连续相位调制，其中，所述电压漂移量的值的正负根据漂移方向确定，漂移方向与预先设定的方向相同为正，否则为负；

第二更新单元142，在第二相位调制器21采用第一更新单元141的调制电压范围进行连续相位调制过程中通过第二探测器22、坐标图获得单元115和初始调制电压获得单元114找到新极值点对应的调制电压作为新的调制电压，对初始调制电压进行更新。

在本发明的一个优选实施例中，上述各实施例的补偿***的各个构成模块可以融合到量子安全直接通信***中，可以采用相同划分的功能模块，也可以采用不同划分的功能模块，如图3所示，补偿***包检测模块23和信号处理模块13其中：

检测模块23，设置在通信信息发送端2，随机在接收的通信信息接收端1的光子序列中选择的一部分光子做安全检测(窃听检测)；

信号处理模块13，量子态解码，信号后处理，包括上述各实施例中的初始化模块110、第一判断模块120、第二判断模块130和更新模块140。

另外，通信信息接收端1为光源产生端，还包括：

单光子源模块11：用于产生信息的载体(单光子)；

第一相位调制器12：制备一系列相位的单光子态并将这些光子发送给通信信息发送端2；

信号处理模块13；

光子探测模块14：雪崩光电二极管单光子探测器；

第一探测器15，用于信息序列的探测，在相位补偿过程中不起作用。

经典信道，用于窃听检测与协议执行状况确认等经典信息交互。

通信信息发送端2还包括：编码模块24：对接收的通信信息接收端1的光子序列中除去检测模块筛选的一部分光子后的剩余的光子依次编码信息，形成信息序列：根据需要编码的经典信息是0或者1选择幺正操作作用到单光子态上。

优选地，上述通信信息接收端1还包括第一控制电路模块16，与通信信息接收端1的光路***相匹配的电控***，控制时序、光学器件以及结果反馈等；上述通信信息发送端2还包括第二控制电路模块25，与通信信息发送端2的光路***相匹配的电控***，控制时序、光学器件以及结果反馈等。

在一个具体实施例中，一种方法是采用本申请的相位补偿方法，将误码率的阈值设定为3％，在误码率超过设定阈值时，找到电压漂移方向并估算电压漂移量，进行反馈补偿；另外一种方法是现有技术中设定固定时间间隔进行补偿，补偿过程是2π全周期扫描，两种方法在17分钟内的相位补偿和误码率情况如下表1所示，

表1

从上表可以看出，本申请的误码率远小于现有技术的误码率，且补偿时间远短于现有技术的补偿时间，具体地：

首先，误码率(可靠性)，在量子安全直接通信***中，最关心的就是误码率最大值，当误码率超过阈值时，***发送信息就失去了安全性保障。所以***误码率最大值越小，可靠性越高，采用定时补偿的方法，当环境某一段时间发生剧烈变化，在下次补偿之前误码率已经超出安全范围，降低了***的可靠性。如果缩短补偿间隔时间，则会挤占信息传送时间，降低***效率，并且也无法保证***误码率在阈值之下。可以看出采用本发明反馈的方式可以让***误码率最大值牢牢控制在设定阈值以下，可靠性最高。

其次，在补偿时间(效率)方面，采用现有的方法，每个补偿过程是在2π相位全周期扫描。而本申请利用统计相关数据概率的方法，可以找到电压漂移方向并估算电压漂移量，可以明显缩短扫描范围来节约补偿时间。在本实施例中设定的误码率阈值为3％，可以使扫描时间缩短为原来补偿时间的5％以下。而量子安全直接通信***在补偿过程中是不能传输信息的，所以补偿时间越短，***传输效率越高。本申请可以通过缩短补偿时间提高传输效率。

第三，在整体***初始化的工程中，利用在半波电压范围内扫描的方法找到补偿电压，只需要找到这段时间内探测器计数统计结果的最值；相对于在2π相位周期内进行扫描，扫描探测器计数在统计时间内的最小值，初始化过程又节约了50％的补偿时间。对于相位调制电压这一随着环境变化而时时在变化的量来说，扫描的时间越短，得到的结果时效性就越强，误码率就会越低。从测量数据可以看出，采用反馈补偿的方法可以将误码率严格控制在设定阈值以下，提高***的可靠性。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法、权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

Claims (4)

1.一种用于量子安全直接通信***的相位补偿方法，所述量子安全直接通信***包括通信信息接收端、通信信息发送端以及两端之间的量子信道和经典信道，其特征在于，所述相位补偿方法包括：

步骤S1，初始化所述量子安全直接通信***，获得通信信息发送端的初始调制电压，包括：

设定通信信息接收端的第一工作电压；

通信信息接收端产生单光子作为信息载体；

获得通信信息接收端的第一半波电压，包括：通过通信信息接收端的第一相位调制器采用第一工作电压对单光子在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，形成连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第一调制电压，其中，所述相位范围在π相位的设定范围内；将所述光子序列通过量子信道发送给通信信息发送端的第二探测器，所述第二探测器对接收的光子序列进行计数；将所述第二探测器接收的光子序列的计数作为纵坐标，其对应的通信信息接收端的第一调制电压为横坐标，构建坐标图；找到坐标图的极大值点和极小值点，相邻所述极大值点和极小值点对应的第一调制电压的差值为第一半波电压；

获得通信信息发送端的初始调制电压和第二半波电压，包括：通过通信信息接收端的第一相位调制器采用第一工作电压对单光子进行相位调制，形成光子序列，所述光子序列通过量子信道发送给通信信息发送端；通过信息发送端的第二相位调制器接收上述光子序列，并对接收的光子序列在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，获得连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第二调制电压，第二探测器接收所述连续变化的光子序列并计数，所述相位范围在π相位的设定范围内；将通信信息发送端的第二探测器的计数作为纵坐标，其对应的通信信息发送端的第二调制电压为横坐标，构建坐标图；找到坐标图的极值点，该极值点对应的横坐标为通信信息发送端的初始调制电压，所述极值点为极小值点或极大值点，通信信息发送端的第二半波电压为所述坐标图中相邻的极大值点和极小值点对应的第二调制电压的差值；

步骤S2，通过上述初始调制电压相位调制产生光子序列，根据光子序列在通信信息接收端和通信信息发送端之间的传输获得量子信道的误码率，判断所述误码率是否超过阈值；

步骤S3，若没有超过阈值，返回步骤S2；

步骤S4，若超过阈值，利用通信信息接收端发送的光子序列和接收通信信息发送端返回的光子序列的基矢和经典比特判断初始调制电压的漂移方向并估算电压漂移量，包括：

筛选出通信信息发送端和通信信息接收端的基矢不同的单光子；

获得第一概率，将基矢不相同的单光子中，经典比特相同的单光子的数量占基矢不相同的单光子的数量的比例作为第一概率；

当第一概率为1时，电压漂移量为

其中，V_half2为通信信息发送端的第二半波电压，漂移方向为预先设定的方向；

当第一概率为0时，电压漂移量为

漂移方向与预先设定的方向相反；

当第一概率为0.5时，无漂移；

当第一概率大于0.5小于1时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向为预先设定的方向；

当第一概率大于0小于0.5时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向与预先设定的方向相反；

步骤S5，通信信息发送端根据初始调制电压的漂移方向和估算出的电压漂移量，进行缩小范围的定步长扫描，得到通信信息发送端的新的调制电压，包括：

将通信信息发送端的初始调制电压作为调制范围的一个端点；

以初始调制电压与估算的电压漂移量的值之和作为调制范围的另一个端点；

在上述调制范围内，采用设定步长扫描出第二探测器统计数量的极值点，所述极值点对应的调制电压作为新的调制电压；

步骤S6，在通信信息发送端加载新的调制电压，返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的相位补偿方法，其特征在于，所述误码率的获得方法包括：

通信信息接收端产生单光子作为信息载体，在单光子上随机加载第一工作电压和第一半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第一光子序列，获得通信信息接收端的接收端逻辑信息，所述接收端逻辑信息包含所述第一光子序列的基矢和经典比特；

上述第一光子序列通过量子信道发送给通信信息发送端；

通过通信信息发送端的第二调制器在第一光子序列上随机加载初始调制电压和第二半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第二光子序列，第二探测器接收第二光子序列，获得发送端逻辑信息，所述发送端逻辑信息包括第二光子序列的经典比特、基矢以及发送时间；

通信信息接收端接收发送端逻辑信息，并按照发送端逻辑信息的发送时间找到对应的接收端逻辑信息；

筛选出发送时间对应的通信信息接收端的基矢和通信信息发送端的基矢相同的单光子；

在基矢相同的单光子中，筛选出通信信息接收端的经典比特和通信信息发送端的经典比特不相同的单光子；

获得误码率，将上述经典比特不相同的单光子的数量占基矢相同的单光子的数量的比例作为误码率。

3.一种用于量子安全直接通信***的相位补偿***，所述量子安全直接通信***包括通信信息接收端、通信信息发送端以及两端之间的量子信道和经典信道，其特征在于，所述相位补偿***包括：

初始化模块，初始化所述量子安全直接通信***，获得通信信息发送端的初始调制电压；

第一判断模块，通过上述初始调制电压相位调制产生光子序列，根据光子序列在通信信息接收端和通信信息发送端之间的传输获得量子信道的误码率，判断初始化后的量子信道的误码率是否超过阈值，若没有超过阈值，对初始化后的量子信道的误码率进行连续监测；若超过阈值，发送信号给第二判断模块；

第二判断模块，利用通信信息接收端发送的光子序列和接收通信信息发送端返回的光子序列的基矢和经典比特判断初始调制电压的漂移方向并估算电压漂移量；

更新模块，根据第二判断模块初始调制电压的漂移方向和估算出的电压漂移量，进行缩小范围的定步长扫描，更新通信信息发送端的初始调制电压，并发送信号给第一判断模块，判断采用更新后的通信信息发送端的初始调制电压初始化后的量子信道的误码率是否超过阈值；

其中，所述通信信息接收端包括：

单光子源模块，用于产生单光子，作为信息的载体；

第一相位调制器，用于对单光子源模块产生的单光子进行相位调制，形成光子序列；

所述通信信息发送端包括：

第二相位调制器，用于对通信信息接收端的光子序列进行相位调制；

第二探测器，用于对接收的光子序列进行计数；

其中，所述初始化模块包括设定单元、第一半波电压获得单元、第二半波电压获得单元、初始调制电压获得单元和坐标图获得单元，其中：

所述设定单元，设定第一工作电压，发送给通信信息接收端，设定相位范围发送给通信信息接收端和通信信息发送端，所述相位范围在π相位的设定范围内；

所述第一半波电压获得单元，发送连续相位调制指令给第一相位调制器，发送接收指令给第二探测器，使得第一相位调制器采用第一工作电压对单光子在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，形成连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第一调制电压；第二探测器接收所述光子序列并进行计数，所述坐标图获得单元将第二探测器的计数作为纵坐标，其对应的第一调制电压为横坐标，构建坐标图，将坐标图返回第一半波电压获得单元，找到坐标图的极大值点和极小值点，相邻所述极大值点和极小值点对应的第一调制电压的差值为第一半波电压；

第二半波电压获得单元，发送相位调制指令给第一相位调制器，发送连续相位调制指令给第二相位调制器，其中，第一相位调制器采用第一工作电压对单光子进行相位调制，形成光子序列，通过量子信道发送给第二相位调制器；第二相位调制器对接收的光子序列在设定的相位范围内进行定步长连续相位调制，获得连续变化的光子序列及其对应的连续变化的第二调制电压；第二探测器接收所述连续变化的光子序列并计数；坐标图获得单元将通信信息发送端的第二探测器的计数作为纵坐标，其对应的第二调制电压为横坐标，构建坐标图，将坐标图返给第二半波电压获得单元和初始调制电压获得单元；初始调制电压获得单元找到坐标图的极值点，该极值点对应的横坐标为通信信息发送端的初始调制电压，所述极值点为极小值点或极大值点；所述第二半波电压获得单元找到坐标图的极大值点和极小值点，将相邻的极大值点和极小值点对应的第二调制电压的差值作为第二半波电压；

其中，所述第二判断模块包括：

第二统计单元，统计基矢不相同的单光子的总数和基矢不相同且经典比特相同的单光子的数量；

第一概率获得单元，将基矢不相同的单光子中，经典比特相同的单光子的数量占基矢不相同的单光子的数量的比例作为第一概率；

估算单元，根据第一概率获得单元的第一概率估算初始调制电压的电压漂移量和漂移方向，其中，当第一概率为1时，电压漂移量为

其中，V_half2为第二半波电压，漂移方向为预先设定的方向；当第一概率为0时，电压漂移量为

漂移方向与预先设定的方向相反；当第一概率为0.5时，无漂移；当第一概率大于0.5小于1时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向为预先设定的方向；当第一概率大于0小于0.5时，电压漂移量与第一概率呈正弦曲线关系，从而获得第一概率对应的电压漂移量，漂移方向与预先设定的方向相反；

其中，所述更新模块包括：

第一更新单元，根据估算单元发送的信号，将通信信息发送端的初始调制电压作为调制范围的一个端点，以初始调制电压与估算的电压漂移量的值之和作为调制范围的另一个端点，发送给第二相位调制器在上述调制范围内进行定步长连续相位调制，其中，所述电压漂移量的值的正负根据漂移方向确定，漂移方向与预先设定的方向相同为正，否则为负；

第二更新单元，在第二相位调制器采用第一更新单元的调制电压范围进行连续相位调制过程中通过第二探测器、坐标图获得单元和初始调制电压获得单元找到新极值点对应的调制电压作为新的调制电压，对初始调制电压进行更新。

4.根据权利要求3所述的相位补偿***，其特征在于，所述第一判断模块包括：

第一光子序列获得单元，发送调制指令给第一相位调制器，在单光子上随机加载第一工作电压和第一半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第一光子序列，获得通信信息接收端的接收端逻辑信息，所述接收端逻辑信息包含所述第一光子序列的基矢和经典比特；

第二光子序列获得单元，发送调制指令给第二相位调制器，第二相位调制器通过量子信道接收第一光子序列，在第一光子序列上随机加载初始调制电压和第二半波电压不同组合形式的逻辑信号进行相位调制，形成第二光子序列，第二探测器接收第二光子序列，获得发送端逻辑信息，所述发送端逻辑信息包括第二光子序列的经典比特、基矢以及发送时间；

第一判断单元，判断发送时间对应的通信信息接收端的基矢和通信信息发送端的基矢是否相同，若基矢相同，发送信号给第二判断单元，若基矢不相同，发送信号给第二判断模块；

第二判断单元，判断通信信息接收端的经典比特和通信信息发送端的经典比特是否相同，发送信号给第一统计单元；

第一统计单元，统计基矢相同的单光子的总数以及基矢相同且经典比特不同的单光子的数量；

误码率获得单元，将第一统计单元统计的基矢相同且经典比特不同的单光子的数量占基矢相同的单光子的总数的比例作为误码率；

第三判断单元，断初始化后的量子信道的误码率是否超过阈值，若超过阈值，发送信号给第二判断模块；若不超过阈值，发送信号给第一光子序列获得单元。

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