连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统及其实现方法，量子密钥发送端先向量子密钥接收端发送相位参考信号用于替代本振光，量子密钥接收端对接收到的相位参考信号进行零差检测，根据测量结果，量子密钥接收端对量子信号进行相位补偿，随后量子密钥发送端和量子密钥接收端向量子密钥检测端发送量子信号，量子密钥测量端对接收到的量子信号进行零差检测，其零差检测所需的本振光由本地产生，检测结果通过经典信道发送给量子密钥发送端和量子密钥测量端。本发明专利技术解决了本振光信号在信道传输中容易被攻击的安全漏洞，此外检测过程放到第三方能防止针对探测器的攻击，从而提高了连续变量量子密钥分发系统的实际安全性。

【技术实现步骤摘要】
连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统及其实现方法
本专利技术属于光纤量子通信
，涉及一种基于本地本振的连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统及其实现方法。
技术介绍
量子密钥分发能确保合法通信双方在量子信道遭遇窃听者监听时仍然能安全共享密钥，其理论安全性由量子力学的海森堡测不准原理和量子不可克隆定理保证。当前量子密钥分发有两大分支，一个是基于单光子检测的离散变量量子密钥分发，另一个则是基于相干检测的连续变量量子密钥分发。与离散变量量子密钥分发协议相比，在连续变量量子密钥分发协议中，量子态的制备更加容易，不需要昂贵的单光子检测器，可以利用现有的高效低成本的零差和外差检测技术，此外，续变量量子密钥分发可利用现有的标准光纤通信系统，这使得续变量量子密钥分发协议更容易实现商业化。虽然连续变量量子密钥理论上的无条件安全性得到了证明，然而，其实际安全性与理论安全性有这较大鸿沟，在连续变量量子密钥分发系统实际运行时，其系统设备上的缺陷都会降低它的实际安全性。例如，本振光是连续变量量子密钥用于传递相位参考的经典光，因而它很容易被第三方攻击，通过对本振光的拦截、篡改，攻击者很容易在合法通信双方不知晓的情况下获取密钥，甚至可以通过攻击本振光控制通信双方的通信设备，从而大幅度降低连续变量量子密钥分发的安全性。因此，如何防止窃听者攻击本振光十分重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统，以实现量子密钥发送端不再发送本振光，并且测量过程放到第三方，有效抵御针对本振光的攻击。本专利技术的另一目的是，提供一种连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统的实现方法。本专利技术所采用的技术方案是，连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统，包括：量子密钥发送端，用于制备和发送相位参考信号来替代本振光，并制备和调制量子信号后通过量子信道将量子信号发送至量子密钥检测端；量子密钥接收端，用于检测量子密钥发送端发送来的相位参考信号，并制备和调制量子信号后通过量子信道将量子信号发送至量子密钥检测端；量子密钥检测端，将接收的量子密钥发送端与量子密钥接收端量子信号进行混合后进行零差检测，并通过经典信道发送检测结果给量子密钥发送端和量子密钥接收端。所述量子密钥发送端，包括：发送端脉冲激光器，用于产生脉冲相干光并发送至发送端电光强度调制器；发送端电光强度调制器，用于生成相位参考信号后发送至接收端零差检测器，并生成发送端幅度调制信号后发送至发送端电光相位调制器；发送端电光相位调制器，用于对发送端幅度调制信号进行相位调制，生成发送端相位调制信号并发送至发送端可调衰减器；发送端可调衰减器，用于对发送端相位调制信号能量衰减至量子水平，生成发送端量子信号并发送至分束器；发送端FPGA信号生成卡，用于生成用于调制光场强度的瑞利分布模拟信号和用于调制光场相位的均匀分布模拟信号，然后将瑞利分布模拟信号发送至发送端电光强度调制器，将均匀分布模拟信号发送至发送端电光相位调制器；发送端FPGA数据采集卡，用于接收零差探测器的零差检测结果。所述量子密钥接收端，包括：接收端脉冲激光器，用于产生脉冲相干光后发送至接收端电光强度调制器，同时将脉冲相干光作为接收端零差探测器的本振光；接收端零差探测器，用于对相位参考信号进行零差检测，并将零差检测结果发送给接收端电光相位调制器；接收端电光强度调制器，根据接收端FPGA信号生成卡生成的模拟信号对脉冲相干光进行幅度调制，生成接收端幅度调制信号并发送至接收端电光相位调制器；接收端电光相位调制器，用于对接收端幅度调制信号进行相位调制，生成接收端相位调制信号并发送至接收端可调衰减器；接收端可调衰减器，用于将接收端相位调制信号能量衰减至量子水平，生成接收端量子信号并发送至分束器；接收端FPGA信号生成卡，用于生成用于调制光场强度的瑞利分布模拟信号和用于调制光场相位的均匀分布模拟信号，然后将瑞利分布模拟信号发送至接收端电光强度调制器，将均匀分布模拟信号发送至接收端电光相位调制器；接收端FPGA数据采集卡，接收零差探测器的检测结果。所述量子密钥检测端，包括：分束器，用于将量子密钥发送端的发送端量子信号和量子密钥接收端的接收端量子信号进行混合，生成两路混合信号并发送至检测端零差探测器；检测端零差探测器，用于对分束器混合后的两路混合信号进行零差检测，并将零差检测结果发送至发送端FPGA数据采集卡和接收端FPGA数据采集卡；检测端脉冲激光器，用于为检测端零差探测器提供本振光。所述发送端脉冲激光器采用OPG1015皮秒光脉冲发生器；所述发送端电光相位调制器采用MPZ-LN-10；所述发送端FPGA信号生成卡和发送端FPGA数据采集卡采用VC707。所述接收端脉冲激光器采用OPG1015皮秒光脉冲发生器；所述接受端零差探测器采用PDA435A平衡放大光电探测器；所述接收端电光相位调制器采用MPZ-LN-10；所述接收端FPGA信号生成卡和接收端FPGA数据采集卡采用VC707。所述检测端零差探测器采用PDA435A平衡放大光电探测器；所述检测端脉冲激光器采用OPG1015皮秒光脉冲发生器。所述量子信道为单模光纤或自由空间形成的传输媒介；经典信道为经典无线、有线或光纤形成的传输媒介。连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统的实现方法，具体按照以下步骤进行：步骤一：在量子密钥发送端，发送端脉冲激光器生成脉冲相干光，并将其发送至发送端电光强度调制器进行降幅调制生成相位参考信号后，通过量子信道发送相位参考信号至接收端零差探测器，进行零差检测，零差检测所需本振光由接收端脉冲激光器产生；步骤二：在量子密钥发送端，发送端脉冲激光器生成脉冲相干光，经由发送端电光强度调制器进行幅度调制，生成发送端幅度调制信号后发送至发送端电光相位调制器进行相位调制，生成发送端相位调制信号并发送至发送端可调衰减器，将发送端相位调制信号能量衰减至量子水平生成发送端量子信号；同时，在量子密钥接收端，接收端脉冲激光器生成脉冲相干光，经由接收端电光强度调制器进行幅度调制，生成接收端幅度调制信号后发送至接收端电光相位调制器进行相位调制，在进行相位调制时根据步骤一中的接收端零差探测器的零差检测结果进行相位补偿，生成接收端相位调制信号并发送至接收端可调衰减器，将接收端相位调制信号能量衰减至量子水平生成接收端量子信号，最后发送端可调衰减器和接收端可调衰减器同时将各自生成的量子信号发送给量子密钥检测端；步骤三：在量子密钥检测端，分束器将发送端可调衰减器和接收端可调衰减器发送的相应量子信号进行混合，生成两路混合信号并发送至检测端零差探测器进行零差检测，该零差检测所需本振光由检测端脉冲激光器产生，检测结果通过经典信道分别发送给发送端FPGA数据采集和接收端FPGA数据采集卡；步骤四：量子密钥发送端和量子密钥接收端根据接收到的检测端零差探测器的零差检测结果进行密钥协商、隐私放大等后处理步骤。所述接收端零差探测器的零差检测结果进行相位补偿，具体步骤如下：步骤10.1：建立量子密钥发送端的相位参考坐标系和量子密钥接收端的相位参考坐标系；PA-QA坐标系为量子密钥发送端的相位参考坐标系，PB-QB坐标系为量子密钥接收端的相位参考坐标系，纵坐标P表示信号幅度，横坐标Q表示信号相位，二者偏离角度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统，其特征在于，包括：量子密钥发送端(1)，用于制备和发送相位参考信号来替代本振光，并制备和调制量子信号后通过量子信道将量子信号发送至量子密钥检测端(3)；量子密钥接收端(2)，用于检测量子密钥发送端(1)发送来的相位参考信号，并制备和调制量子信号后通过量子信道将量子信号发送至量子密钥检测端(3)；量子密钥检测端(3)，将接收的量子密钥发送端(1)与量子密钥接收端(2)的量子信号进行混合后进行零差检测，并通过经典信道发送检测结果给量子密钥发送端(1)和量子密钥接收端(2)。

【技术特征摘要】
1.连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统，其特征在于，包括：量子密钥发送端(1)，用于制备和发送相位参考信号来替代本振光，并制备和调制量子信号后通过量子信道将量子信号发送至量子密钥检测端(3)；量子密钥接收端(2)，用于检测量子密钥发送端(1)发送来的相位参考信号，并制备和调制量子信号后通过量子信道将量子信号发送至量子密钥检测端(3)；量子密钥检测端(3)，将接收的量子密钥发送端(1)与量子密钥接收端(2)的量子信号进行混合后进行零差检测，并通过经典信道发送检测结果给量子密钥发送端(1)和量子密钥接收端(2)。2.根据权利要求1所述的连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥发送端(1)，包括：发送端脉冲激光器(1-1)，用于产生脉冲相干光并发送至发送端电光强度调制器(1-2)；发送端电光强度调制器(1-2)，用于生成相位参考信号后发送至接收端零差检测器(2-2)，并生成发送端幅度调制信号后发送至发送端电光相位调制器(1-3)；发送端电光相位调制器(1-3)，用于对发送端幅度调制信号进行相位调制，生成发送端相位调制信号并发送至发送端可调衰减器(1-4)；发送端可调衰减器(1-4)，用于对发送端相位调制信号能量衰减至量子水平，生成发送端量子信号并发送至分束器(3-1)；发送端FPGA信号生成卡(1-5)，用于生成用于调制光场强度的瑞利分布模拟信号和用于调制光场相位的均匀分布模拟信号，然后将瑞利分布模拟信号发送至发送端电光强度调制器(1-2)，将均匀分布模拟信号发送至发送端电光相位调制器(1-3)；发送端FPGA数据采集卡(1-6)，用于接收检测端零差探测器(3-2)的零差检测结果。3.根据权利要求1所述的连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥接收端(2)，包括：接收端脉冲激光器(2-1)，用于产生脉冲相干光后发送至接收端电光强度调制器(2-3)，同时将脉冲相干光作为接收端零差探测器(2-2)的本振光；接收端零差探测器(2-2)，用于对相位参考信号进行零差检测，并将零差检测结果发送给接收端电光相位调制器(2-4)；接收端电光强度调制器(2-3)，根据接收端FPGA信号生成卡(2-6)生成的模拟信号对脉冲相干光进行幅度调制，生成接收端幅度调制信号并发送至接收端电光相位调制器(2-4)；接收端电光相位调制器(2-4)，用于对接收端幅度调制信号进行相位调制，生成接收端相位调制信号并发送至接收端可调衰减器(2-5)；接收端可调衰减器(2-5)，用于将接收端相位调制信号能量衰减至量子水平，生成接收端量子信号并发送至分束器(3-1)；接收端FPGA信号生成卡(2-6)，用于生成用于调制光场强度的瑞利分布模拟信号和用于调制光场相位的均匀分布模拟信号，然后将瑞利分布模拟信号发送至接收端电光强度调制器(2-3)，将均匀分布模拟信号发送至接收端电光相位调制器(2-4)；接收端FPGA数据采集卡(2-7)，接收检测端零差探测器(3-2)的检测结果。4.根据权利要求1所述的连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥检测端(3)，包括：分束器(3-1)，用于将量子密钥发送端(1)的发送端量子信号和量子密钥接收端(2)的接收端量子信号进行混合，生成两路混合信号并发送至检测端零差探测器(3-2)；检测端零差探测器(3-2)，用于对分束器(3-1)混合后的两路混合信号进行零差检测，并将零差检测结果发送至发送端FPGA数据采集卡(1-6)和接收端FPGA数据采集卡(2-7)；检测端脉冲激光器(3-3)，用于为检测端零差探测器(3-2)提供本振光。5.根据权利要求2所述的连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端脉冲激光器(1-1)采用OPG1015皮秒光脉冲发生器；所述发送端电光相位调制器(1-3)采用MPZ-LN-10；所述发送端FPGA信号生成卡(1-5)和发送端FPGA数据采集卡(1-6)采用VC707。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一军，王旭东，郭迎，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43