一种连续变量量子密钥分配系统侦听方法技术方案

本发明专利技术公开了一种连续变量量子密钥分配系统的侦听方法，用于侦听由连续变量量子密钥分配系统的发送方与接收方之间的量子信道，所述接收方包括平衡零拍探测器，该平衡零拍探测器包括50：50分束器(BS)和强度调制器(AM)，本发明专利技术针对平衡零拍探测器50：50分束器透过率与波长相关的非理想性，引入除伪信号光和伪本振光之外的两个消噪光，将侦听者获取和重发的行为所带来的额外噪声消除。

【技术实现步骤摘要】
一种连续变量量子密钥分配系统侦听方法
本专利技术属于量子保密通信领域，特别涉及对连续变量量子密钥分配系统的侦听。
技术介绍
量子密钥分配技术使得远程的通信双方能够安全地共享密钥，该密钥的安全性可以达到信息论意义下无条件安全，因此自1984年提出以来受到极为广泛的关注。不同于单光子类量子密钥分配协议，连续变量量子密钥分配将密钥信息编码在相干态或压缩态的X分量和P分量上，其定义分别为和对应于电场复振幅的实部和虚部，这里和分别是量子光学中的湮灭算符和产生算符。由于湮灭算符和产生算符的非对易性，导致X和P两个分量不能同时被测准，二者偏离量之积服从海森堡测不准原理等号在量子态为相干态时成立。信道中的侦听行为将使Bob测量结果的偏离度远大于从而被合法通信双方获知。此外，在探测手段方面，单光子类量子密钥分配系统主要采用单光子探测器，而连续变量类量子密钥分配系统的探测是基于普通PIN光电探测器，主要分成两种，一种是平衡零拍探测器(BalancedHomodyneDetector)，一种是外差探测器(HeterodyneDetector)，其中外差探测可看作两个平衡零拍探测器的组合。在连续变量量子密钥分配系统中，平衡零拍探测器一次测量X分量或者P分量，外差探测器则可同时测量X分量和P分量。由于连续变量量子密钥分配能够以较低的成本实现安全的密钥分配，且在抗信道强光干扰方面具有较大的优势，因此，连续变量量子密钥分配技术具有较高的应用前景。下面结合附图1介绍基于平衡零拍探测的连续变量量子密钥分配系统的工作原理和协议流程。将发送方称为Alice，接收方称为Bob，而信道中的侦听者称为Eve。(1)Alice端的激光器Laser发出的光脉冲经过1∶99的分束器BS分成两部分，其中光强弱的部分被相位调制器PM和强度调制器AM调制成|α＝X+iP>的相干态，X和P是两个独立的随机实数，均服从均值为0方差为VA的高斯分布，光强强的部分则被偏振控制器PC调节至与输入光正交的偏振态。这里光强弱且被调制的部分称为信号光S，而光强强的部分称为本振光L，偏振态相互正交的信号光和本振光经过偏振分束器PBS合束后进入信道。(2)信号光和本振光到达Bob端后，先经过10∶90的分束器BS，10％的光强被光电探测器D探测，用于系统同步或者本振光测量。在经过偏振控制器PC校正两端的偏振态参考系后，随后的偏振分束器PBS将信号光和本振光分开，本振光经偏振控制器PC调整偏振及相位调制器PM加载0或π/2的相位后，与信号光一同进入平衡零拍探测器被探测。平衡零拍探测器主要由50∶50的分束器BS、两个光电探测器D1和D2、以及减法器等组成。当相位调制器加载的相位为0时，测量的是X分量，相位为π/2时，对应的则为P分量。(3)在获得一定量的数据后，Alice和Bob对获得的数据进行参量(信道效率、额外噪声等)估计、纠错(反向协调，即Bob向Alice发送纠错信息)、保密放大以及数值离散化(编码成二进制密钥比特)等过程，最终共享安全的密钥。整个密钥分配过程中，Alice和Bob之间的量子信道完全暴露在侦听者Eve的控制之下，她可以对Alice发出信号进行任意的操作，再通过无损的信道发送给Bob。为分析连续变量量子密钥分配系统安全性及估算安全密钥生成率，需要对一些必要的参量进行估计。估算的方法是结合Bob测量所得数据与Alice的调制数据进行统计。定义Alice调制的(X或P分量)值为Bob测量得到的(X或P分量)结果为且满足以真空噪声的统计方差N0作为参考值，Alice和Bob采用总噪声量中超出真空噪声的部分(称为额外噪声)来估算安全密钥生成率。假设信道中没有侦听者，在收集到大量数据以后，将得到如下的统计结果：其中，VA是以N0为单位的Alice数据调制方差，η是Bob端的探测效率，T是信道传输率，ε是以N0为单位的额外噪声，vel是电子学噪声。但是，上述对参量估计的过程会使得连续变量量子密钥分配系统的产生安全性漏洞。如附图1所示的连续变量量子密钥分配系统中，Bob端10∶90的分束器BS输出10％的光强被光电探测器D探测，系统同步和本振光测量均由探测器D实现。Jouguet等人(Jouguet,P.,S.Kunz-Jacques,andE.Diamanti,Preventingcalibrationattacksonthelocaloscillatorincontinuous-variablequantumkeydistribution.PhysicalReviewA,2013.87(6):p.062313.)提出了一种针对参数估计过程的连续变量量子密钥分配侦听方案——校正侦听(Calibrationmonitoring)。只需要将本振光的光强压缩至脉冲的后半部，使同步信号的输出延迟几十个纳秒。由于数据采集窗口的推迟，探测器D1与D2的输出将会是一个比实际值小的结果，其噪声总量也将同比下降。这时，虽然真空噪声与本振光强度依然存在线性关系，但是比值改变了。如果Bob依然采用原先测定的比值来估算真空噪声强度，则在以此强度为单位的度量下，Bob测得的噪声总量亦将下降。为抵御校准侦听，可在Bob端增加强度调制器AM配合进行参量估计的方法。具体如附图2所示，Bob端偏振分束器PBS后增加强度调制器AM，其对应的控制参数为r。在实际操作中，r只需设置连个具体值，r1＝0.001和r2＝1。若定义与分别为对应两种r值的测量结果，其统计方差值分别为：实时测得的真空噪声方差值以及用该值作单位的额外噪声方差值分别用以下式子来估算：最后，采用代替ε来计算安全密钥生成率。虽然采用上述方法使得连续变量量子密钥分配系统能够抵御校正侦听，但是平衡零拍探测器的输出结果很大程度上依赖于50∶50分束器BS的分束比，一旦某些因素导致分束比出现偏差，将会带来连续变量量子密钥分配系统新的安全性漏洞。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术所要解决的技术问题是当前的对连续变量量子密钥分配系统进行侦听方法效果不佳的问题。(二)技术方案本专利技术的一个方面提出一种连续变量量子密钥分配系统侦听方法，用于侦听由连续变量量子密钥分配系统的发送方与接收方之间的量子信道，所述接收方包括平衡零拍探测器，该平衡零拍探测器包括50∶50分束器BS和强度调制器AM，该侦听方法包括如下步骤：S1、获取发送方所发送的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续变量量子密钥分配系统侦听方法，用于侦听由连续变量量子密钥分配系统的发送方与接收方之间的量子信道，所述接收方包括平衡零拍探测器，该平衡零拍探测器包括50∶50分束器(BS)和强度调制器(AM)，其特征在于，该侦听方法包括如下步骤：S1、获取发送方所发送的信号光和本振光，作外差探测后同时得到信号光的X分量及P分量；S2、根据所述X分量及P分量产生伪信号光(ES0)和伪本振光(EL0)，使伪信号光(ES0)的振幅为伪本振光(EL0)的振幅为其中n是实数，T是所述发送方和所述接收方之间的信道传输率，N是所述发送方所发送的本振光的振幅，并且，使伪信号光(ES0)、伪本振光(EL0)的偏振态分别与所述发送方发送信号光、本振光一致，且相互正交，波长均为所述连续变量量子密钥分配系统的工作波长；S3、产生第一对消噪光和第二对消噪光，对于任一对消噪光，均包括不同波长的两个消噪光，其中一个消噪光与发送方发送的信号光偏振态相同，另一个消噪光与发送方发送的本振光偏振态相同；对于第一对消噪光的波长，所述接收方的平衡零拍探测器中的50∶50分束器(BS)的透过率小于0.5，对于第二对消噪光的波长，所述接收方的平衡零拍探测器中的50∶50分束器(BS)的透过率大于0.5；S4、在所述连续变量量子密钥分配系统的每一个工作周期，将产生的伪信号光(ES0)、伪本振光(EL0)，以及第一对消噪光和第二对消噪光中的以等概率随机的方式选择一对消噪光发送给所述接收方。2.如权利要求1所述的连续变量量子密钥分配系统侦听方法，其特征在于，所述第一对消噪光和第二对消噪光满足如下条件：当接收方控制所述强度调制器(AM)产生强衰减时，(2t(λL1)-1)ηL1IL1+(2t(λL2)-1)ηL2IL2＝0；所述ηL1和ηL2分别是所述接收方对波长为λL1和λL2的消噪光的光的探测效率，λL1和λL2分别表示第一对和第二对消噪光中的与发送方所发送的本振光的偏振态相同的消噪光的波长，t(λ)表示所述50∶50分束器(BS)对于相应波长λ的透过率，N0表示真空噪声的统计方差；当接收方控制所述强度调制器(AM)产生弱衰减时，(1-2t(λS1))ηS1IS1+(2t(λL1)-1)ηL1IL1＝0，(1-2t(λS2))ηS2IS2+(2t(λL2)-1)ηL2IL2＝0，所述ηS1、ηL1、ηS2、ηL2分别是所述接收方对波长为λS1、λL1、λS2和λL2的消噪光的探测效率，λS1和λS2分别表示第一对和第二对消噪光中的与发送方所发送的信号光的偏振态相同的消噪光的波长，λL1和λL2分别表示第一对和第二对消噪光中的与发送方所发送的本振光的偏振态相同的消噪光的波长。3.一种连续变...

【专利技术属性】
技术研发人员：王双，黄靖正，银振强，陈巍，李宏伟，周政，何德勇，韩正甫，郭光灿，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：