本发明专利技术提供了一种基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，包括：步骤A：连续变量初始密钥分发步骤，是指利用发送方Alice通过相干态进行高斯调制并经过光纤信道进行远距离传输后由接收方Bob进行解调检测，获得初始连续密钥数据；步骤B：是指利用数据后处理算法对获得的初始连续密钥数据进行预处理、纠错及保密增强，获取最终安全二进制比特密钥。本发明专利技术可以将基于高斯调制相干态的CVQKD系统的安全通信距离延长到100-150km。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子密钥分发，具体地，涉及基于高斯调制相干态的长距离连续变量 量子密钥分发方法，尤其是一种通过优化CVQKD系统的过噪声控制、零差检测及数据后处 理来实现长距离CVQKD通信的技术。
技术介绍
自从1999年学术界首次提出利用连续变量来进行量子通信以来，国内外众多学 者提出了许多连续变量量子保密通信协议，尤其是CVQKD(连续变量量子密钥分发）引起 了人们的极大关注。CVQKD可以让分隔两地的通信双方，Alice和Bob，通过量子信道和经 过认证的经典信道获得密钥。和DVQKD(离散变量量子密钥分发）不一样，在CVQKD协议 中，Alice利用高斯调制将信息调制在光场的正则分量上，Bob可利用高效率的Homodyne或 Heterodyne检测器提取密钥信息。在分发密钥渐近极限下，CVQKD能抵抗任意集体攻击和 相干攻击，这是由于在渐近极限下，相干攻击被证明和集体攻击能力一致。而且在分发密钥 有限情况下，高斯调制相干态CVQKD方案也被证明具有无条件安全性，能抵御集体及相干 攻击。因为不需要单光子信源和单光子检测器，且连续调制具有更大信道容量，其与传统光 信号也具有较好的融合性，所以CVQKD在这些方面较DVQKD更具发展优势。 然而CVQKD只是在短距离下（30km以下）密钥速率表现良好，在长距离通信上速 率很低，且安全通信距离比DVQKD短很多。从信息论角度看，一个原因是DVQKD在集体攻击 下的安全码率计算依赖于误码率的估算，而CVQKD中安全码率的估算来自于对信号量子态 的协方差矩阵的评估，协方差矩阵不仅受信道传输率的影响，而且对信道过噪声异常敏感。 还有一个原因是由于检测器灵敏度的原因，调制方差不能选用太小，从而调制方差不能使 用最优值从而影响安全传输距离。最后一个重要原因是因为CVQKD解码得到的是连续数据 而不是二进制数值，目前不存在低信噪比下针对连续数据的高效密钥协商算法，这从很大 程度上限制了安全传输距离。 为了实现长距离CVQKD，有人提出离散调制方式并利用高效的离散协商提高传输 距离，但这个方法需要引入诱骗态才能保证其安全性，诱骗态的制备是一个极难的问题。另 外，研究者们还提出利用相位敏感放大器、相位非敏感光放大器或无噪放大器提高系统信 噪比，从而改善安全通信距离的方案。然而这些方法的提升效果有限或者实验难以实现。 为了解决上述问题，我们提出了一种基于高斯调制相干态的长距离CVQKD技术， 通过引入高效率多维协商算法、适合长距离通信的低噪Homodyne检测器以及基于数据后 处理的相位补偿。值得注意的是：这里引入的高效率多维协商算法、低噪Homodyne检测器 以及基于数据后处理的相位补偿并不是简单的叠加，而是基于CVQKD系统的综合考虑和技 术瓶颈的突破。国际上至今都没有报道超过IOOkm光纤传输距离的CVQKD实验系统，其基 本瓶颈在两个方面，一个是初始密钥分发阶段中光路编解码模块对相干光信号的噪声抑制 以及对极弱信号的检测；另一个是数据后处理阶段对初始密钥的高效协商。前者是因为长 距离会引入更多的过噪声，包括强本振光的泄露，偏振及相位漂移，而且经过长距离传输后 信号光会衰弱到难以检测；后者是在长距离传输下信噪比将会极低，而极低信噪比下的高 效协商是一个难题。 总之，为实现长距离CVQKD不是简单的模块叠加，不仅需要考虑前端初始密钥分 发阶段对过噪声进行抑制及对弱信号进行有效提取，还需要考虑后端在经过长距离传输后 选择低信噪比下的高效数据协商算法。我们引入的低噪Homodyne检测器及基于数据后处 理的相位补偿一方面抑制CVQKD系统额外过噪声，另一方面实现弱信号的检测；而引入高 效率多维协商算法是为了后处理过程中的提取更多最终密钥信息，从而最终可实现标准单 模光纤下安全传输距离为100-150km的连续变量量子密钥分发。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于高斯调制相干态的长距离 CVQKD方法，是一种通过引入高效率数据协商算法、适合长距离通信的低噪Homodyne检测 器以及高精度相位补偿算法，提高CVQKD系统对过噪声抑制能力及后处理效率，实现标准 单模光纤下安全传输距离为100-150km的连续变量量子密钥分发的方法。 根据本专利技术提供的一种基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方 法，包括如下步骤： 步骤A:连续变量初始密钥分发步骤，具体为：初始连续密钥数据利用发送方 Alice通过相干态进行高斯调制并经过光纤信道进行传输后由接收方Bob进行解调检测， 获得初始连续密钥数据； 步骤B:连续数据后处理步骤，具体为：Bob对获得的初始连续密钥数据进行预处 理、纠错及保密增强，获取最终安全二进制比特密钥。 优选地，所述步骤A包括如下步骤： 步骤Al:发送方Alice及接收方Bob对CVQKD系统进行通信初始化，包括对CVQKD 系统中的信源、随机数源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化； 步骤A2 :Alice端光分束器将相干光源分为信号光和本振光，并对信号光进行相 位调制及幅度调制，通过时分及偏振复用将调制的信号光及本振光一起发送给Bob ; 步骤A3 :Bob通过时间及偏振的解复用，并对收到信号进行偏振补偿，最后Bob利 用低噪Homodyne检测器随机测量接收到的信号光的正则位置X或正则动量P的值。 优选地，所述低噪Homodyne检测器的检测过程为：通过对信号光的相位进行0度 或90度的调制，与本振光输入50:50的分束器两个接口后，随后接入标定的Homodyne检测 器进行检测。 优选地，所述步骤A2包括如下步骤： 步骤A2.I:A1ice通过相位及幅度调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使 信号光服从一个均值为零的，方差为VA的高斯分布；其中，VA的取值范围为大于0且小于 100 ； 步骤A2. 2 :Alice将信号光及本振光通过同一个光纤发送给Bob。 优选地，所述步骤B包括如下步骤： 步骤BI:Bob和Alice进行初始连续密钥数据的数据预处理，并进行基于数据后处 理的相位补偿； 步骤B2 :Alice和Bob公布部分初始密钥数据进行参数评估，得到信号过噪声、调 制方差以及信道透过率参数； 步骤B3 :Bob通过基于LDPC编码的高效率多维协商算法对相位补偿后的初始连续 密钥数据进行纠错，输出一致的二进制共享密钥串； 步骤M:Bob通过信道参数计算Holevo限及合法通信方的互信息量，得到信息压 缩率，最后通过保密增强输出最终密钥。 优选地，在Alice与Bob的光路中设置有隔离器及光检测器以监控本振光光 强。 与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果： 1、本专利技术提供的方法可以将基于高斯调制相干态的CVQKD的安全通信距离延长 至Ij100-150km，这是国际上目前最长的距离。 2、所述步骤A通过高灵敏度检测器可实现极低本振光下的信号检测，有效降低本 振光泄露引入的过噪声。 3、所述的步骤B基于数据后处理的高精度相位补偿算法将相位抖动引入的过噪 声降到了极低点。 4、所述的步骤B基于LDPC的多维数据协商算法具有很高的协商效率。【附图说明】 通过阅读参照以下附图对非限制本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A：连续变量初始密钥分发步骤，具体为：初始连续密钥数据利用发送方Alice通过相干态进行高斯调制并经过光纤信道进行传输后由接收方Bob进行解调检测，获得初始连续密钥数据；步骤B：连续数据后处理步骤，具体为：Bob对获得的初始连续密钥数据进行预处理、纠错及保密增强，获取最终安全二进制比特密钥。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄鹏，黄端，林大凯，彭进业，曾贵华，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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