相位編碼量子密鑰分發系統相位補償方法研究

摘 要:本文詳細比較了基于相位編碼量子密鑰分發系統的各種相位補償方法，對目前提高相位編碼相位穩定性的方法進行了總結，并對利用有效提高相位編碼量子密鑰分發系統相位穩定性的方法進行了分析和展望。

關鍵詞:量子密鑰分發相位補償相位漂移系統穩定性

中圖分類號:TN918文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0100-01

1 引言

量子密鑰分發系統為信息安全領域提供了一種理想的密鑰分發方案，第一個量子密鑰分發協議于1984年由Bennett和Brassard提出[1]，其實驗可行性驗證被Bennett及其合作者們于1992年首次完成[2]。目前，基于相位編碼的量子密鑰分發系統碰到的一個重要的問題是由于外界環境對光纖干涉環的影響，使得系統的穩定性受到了不同程度的影響，因此利用光學結構以及相關的穩定補償技術來提高系統穩定性的研究被廣泛關注。

2 相位編碼量子密鑰分發系統穩定性研究

相位編碼量子密鑰分發系統是基于光纖干涉儀進行操作的。常見的相位編碼量子密鑰分發系統有基于雙麥克爾遜-曾德爾(M-Z)干涉儀的相位編碼系統，即插即用相位編碼系統，以及差分相位編碼系統(DPS，Differential Phase Shift)等[3]。由于通信雙方的光纖干涉環受到外界溫度和震動等因素的影響，使得干涉輸出的相位穩定性受到了較大影響。因此在接收端檢測干涉疊加相位時，由于外界因素引起的相位漂移使得系統無法正常檢出密鑰信息。

為了克服相位漂移的影響，幾種可以補償相位漂移的方法被提出并得到了廣泛的研究。其中最有前途的一種方案是基于自補償光纖干涉系統的方案，這種方案以即插即用系統[4]和中國科技大學郭光燦院士小組提出的雙法拉第-麥克爾遜干涉儀結構[5]為典型代表。這種方案是量子密鑰分發系統最終獲得良好應用的最優方案，但是目前還需要進一步深入研究。另一類方法是利用某種手段獲得相位漂移參數并采用相位調制實時補償的方法進行系統相位漂移的補償。這種方法包括獲取動態相位漂移參數和實時補償兩個階段。在獲取動態相位漂移參數的階段，主要有通過強激光參考脈沖的方法[6]，通過單光子水平掃描的方法[7-9]等。利用強參考光脈沖的方法獲取動態相位漂移參數會增加系統硬件的復雜度，并且會在一定程度上對量子信號光引入干擾。利用單光子水平掃描的方法對量子密鑰分發技術的應用有較大的實用價值。在單光子水平掃描時，需要進行足夠多的光子脈沖的累積計數才能夠利用光子計數的統計性獲得單光子干涉曲線，進一步獲取動態掃描參數，因此逐點掃描的方法有一定的限制。文獻[8]利用每個周期取12個掃描點獲取粗動態參數，并且在此基礎上通過262個單光子概率幅脈沖的累積計數進一步提高掃描精度，該方案可以在較短的時間內獲得動態相位漂移參數。文獻[9]在這些工作的基礎上，進一步提出了利用五點法獲得動態掃描參數，進一步減小了獲取動態相位漂移參數的時間長度。值得一提的是，在進行單光子水平動態掃描參數的同時，必須要求系統進行足夠的被動補償，使得相位漂移的速度減緩，以便可以進行有效的動態相位漂移參數的獲取和提高密鑰分發占空比。

3 結語

在目前的幾種相位漂移的補償方法中，引入強參考光的方法由于存在增加系統硬件復雜度和對量子信號光引入干擾的問題，所以在實際應用中較少采用此方法。在單光子水平下進行高效的掃描和補償是目前一般實際應用系統采取的主流方法，同時需要先對系統進行足夠的被動補償，使得相位漂移的速度減小到可以接受的程度。盡管如此，不管主被動相位補償的方法如何高效，卻無法完全避免相位不穩定性帶來的影響，因此基于自補償相位漂移的量子密鑰分發光學方案仍舊是解決該問題最好的研究方向和趨勢。

參考文獻

[1]C.H.Bennett，G.Brassard.Quantum Cryptography:Public Key Distribution and Coin Tossing [C].Proceedings of the IEEE，1984:175.

[2]C.H.Bennett.Quantum cryptography using any two nonorthogonal states[J]. Phys.Rev.Lett，1992，68:3121.

[3]K.Inoue，E.Waks and Y.Yamamoto. Differential phase shift quantum key distribution [J].Phys.Rev.Lett，2002，89:037902.

[4]G. Ribordy，J.-D.Gautier，N.Gisin，et al.Automated plug play quantum key distribution[J].Electron.Lett，1998，34:2116.

[5]X F Mo，B Zhu，Z F Han，et al.Faraday-Michelson system for quantum cryptography[J].Optics Lett，2005，30(19):2632.

[6]Z L Yuan and A J Shields，Continuous operation of a one-way quantum key distribution system over installed telecom fibre[J].Optics Express，2005，13(2):660.

[7]W Chen，H Z Fu，X F Mo，et al.Active phase compensation of quantum key distribution system，Chinese Science Bulletin，2008，53(9):1310.

[8]王金東，秦曉娟，魏正軍等.一種高效量子密鑰分發系統主動相位補償方法，物理學報，2010，59(1):281.

[9]V Makarov，A Brylevski and D R Hjelme，Real-time phase tracking in single-photon interferometers，Applies Optics， 2004，43(22):4385.