[發明專利]一種適用于雙場量子密鑰分發系統的全局相位跟蹤預測方法

有效

• 申請號: 202210526818.1
• 申請日: 2022-05-16
• 公開（公告）號: CN114912608B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 劉靖陽;蔣慶慶;王琴;周星宇
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G06N3/082
• 分類號: G06N3/082;G06N3/0442;G06N3/045;G06N3/047;G06N3/048;G06N3/065;G06F9/30;G06F9/302;H04L9/08;H04B10/70
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 任志艷

本發明公開了一種適用于雙場量子密鑰分發系統的全局相位跟蹤預測方法，其中設計了一種專門搭載于現場可編程門陣列FPGA上的時間感知序列?序列網絡S2S，根據實時采集的二相掃描計數與外界環境參數，跟蹤預測其后多個時間點的全局相位變化，跟蹤預測結果后續用于實時補償相位擾動，保證長時間全局相位穩定。本發明帶來的有益效果可以極大地提升雙場量子密鑰分發系統的占空比，減少校準耗時，提高系統整體效率。本發明不僅限于應用于實時相位補償，也同樣適用于后相位估計的雙場量子密鑰分發協議。

技術領域

本發明屬于量子信息技術領域，具體涉及雙場量子密鑰分發系統(TF-QKD)中信道對全局相位的擾動問題。

背景技術

量子密碼是量子通信的核心，它的安全與否直接決定著量子通信系統的安全性。量子密碼的安全性建立在量子力學的基本原理之上，同時通過結合香農提出的“一次一密”(OTP)定理，原則上可以為合法用戶(Alice、Bob)提供無條件安全性的量子通信。近年來，研究者們提出的TF-QKD協議與系統在理論上和實驗上均取得了巨大的進步，該協議可以打破無量子中繼條件下碼率的線性界，為超遠程量子保密通信提供了可能。但是現有的雙場量子保密通信系統因其類似等臂馬赫澤勒干涉環的結構，導致其特別敏感信道帶來的相位干擾。這種相位干擾會直接導致單光子干涉的結果不理想，進而使得誤碼增大。因此，保證Alice和Bob的全局相位穩定是實現安全穩定的雙場量子密鑰分發的前提。現有穩定全局相位的技術手段主要為二相掃描或四相掃描結合時分復用等，此類方法往往需要一半甚至更多的時間完成相位點的掃描，導致系統整體效率較低，同時此類方法校準全局相位的準確率也較低，導致碼率起伏很大。

發明內容

本發明目的在于針對上述現有技術的不足，提出了一種適用于雙場量子密鑰分發系統的全局相位跟蹤預測方法，該方法應用于TF-QKD系統中。TF-QKD系統的工作模式分為兩個階段：量子光階段和參考光階段。在參考光階段，本發明利用搭載于現場可編程門陣列(FPGA)上的時間感知序列-序列網絡S2S模型跟蹤預測全局相位，預測結果用于實時補償信道帶來的相位擾動，保證單光子干涉穩定。

本發明的一種適用于雙場量子密鑰分發系統的全局相位跟蹤預測方法，包括如下步驟：

步驟1，構建濾波矩陣Filter?matrix用于對探測器的計數進行濾波，得到純凈的計數；

步驟2，構建T-LSTM網絡的輸入向量x_t，輸入向量x_t包括通過濾波矩陣獲得的純凈計數S_t、t時刻的溫度T_t和濕度H_t；不同時刻的輸入向量組成輸入時間序列，通過注意力層Attention?layer計算時間序列中各輸入向量的權重；

步驟3，將帶有權重的時間序列輸入到T-LSTM網絡，計算并預測全局相位。

進一步的，步驟1中構建濾波矩陣Filter?matrix對探測器的計數進行濾波，得到純凈的計數，具體為：

對相位調制PM施加任意的初始電壓V_i，持續時長T，并記錄在此期間探測器兩個通道的計數然后將電壓提高半個PM的半波電壓V_half，即施加電壓V_i+V_half/2，再持續T，記錄在此期間探測器兩個通道的計數

濾波矩陣的噪聲抑制過程可以表示為

其中可以表示神經網絡。

進一步的，注意力層Attention?layer計算時間序列中各輸入向量的權重a_n，公式如下：

其中表示所有輸入向量并列而成的矩陣，W_a為訓練獲得的權值，softmax為歸一化指數函數。