基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统及实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统及实现方法，第一时钟源向量子密钥发送端提供参考时钟信号，第二时钟源向量子密钥接收端提供参考时钟信号；在发送端和接收端开始建立密钥之前，第一时钟源与第二时钟源通过经典信道进行时钟同步，同步以后两个时钟独立运行不再相互影响。本发明专利技术解决了同步时钟信号在通信过程中传输容易被窃取的安全漏洞，进一步提高了连续变量量子密钥分发系统的实际安全性。

Continuous variable quantum key distribution system based on independent clock source and its implementation

The invention discloses a continuous variable quantum key based on independent clock source distribution system and the realization method of the first clock source provides a reference clock signal to the quantum key transmitter, second clock source to the quantum key receiver provides a reference clock signal; before the sending end and the receiving end start key, the first clock source with the second clock source through the classical channel synchronization clock, clock synchronization after two independent operation no longer affect each other. The invention solves the security flaw that the synchronous clock signal is easily stolen in the communication process, and further improves the actual security of the continuous variable quantum key distribution system.

【技术实现步骤摘要】
基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统及实现方法
本专利技术属于光纤量子通信
，涉及一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统及实现方法。
技术介绍
量子密钥分发能使合法通信双方在不可信任的量子信道中安全共享密钥，其安全特性基于量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理。目前量子密钥分发由信息载体的不同分为离散变量和连续变量两个方向。与离散变量量子密钥分发协议相比，连续变量量子密钥分发其量子态更容易制备，可融入现有的光纤系统中，且可以使用高效低成本的零差检测或者外差检测技术，这使得连续变量量子密钥分发系统更容易进入商业化领域。目前连续变量量子密钥分发系统的研究还没有进入完全商业化，主要原因是由于其实际安全性跟理论安全性还有较大的差距。本振光是连续变量量子密钥分发系统用于干涉和传输同步时钟信号的经典光，它非常容易收到第三方攻击，通过控制其中的时钟信号窃听者可以降低系统的安全性并在发送方和接收方无法知晓的情况下获取密钥。因此，如何防止窃听者控制同步时钟信号尤为重要。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提供一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统，利用两个独立的时钟源分别为密钥发送方和接收方提供参考时钟，而不需要在本振光中传输同步时钟信号。本专利技术的另一目的是，提供一种基于独立时钟源的连续变量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，一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统，包括：量子密钥发送端，用于密钥生成与光脉冲调制，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端；第一时钟源，生成基础时钟参考信号，提供给量子密钥发送端用于光脉冲调制；量子密钥接收端，用于检测量子信号，并根据检测结果与量子密钥发送端进行密钥协商，最终获取安全密钥；第二时钟源，通过经典信道与第一时钟进行时钟同步，生成基础时钟参考信号，用于量子信号检测。进一步，所述量子密钥发送端包括依次连接的：脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；第一分束器，用于将脉冲相干光分离为占总能量1％的信号光与99％本振光；电光强度调制器，用于将第一分束器分离的信号光进行幅度调制，并发送至第一电光相位调制器；第一电光相位调制器，用于将第一分束器分离的信号光进行相位调制，并发送至可调衰减器；可调衰减器，用于将接收到的信号光能量进行衰减至量子水平，并发送至偏振耦合器；偏振耦合器，用于将接收到的信号光和第一分束器分离的本振光耦合成一路量子信号，并通过量子信道传输至量子密钥接收端。进一步，所述量子密钥接收端，包括依次连接的：偏振分束器，用于在量子信号接收端将量子信号分成占总能量10％的信号光与90％的本振光，第二电光相位调制器，用于将偏振分束器分离的本振光进行测量基随机选择后发送至第二分束器；第二分束器，用于将接收到的本振光与偏振分束器分离的信号光进行干涉，并发送至零差探测器；零差探测器，用于对接收到的本振光和信号光进行零差检测，并将检测结果发送至FPGA数据采集卡。进一步，所述FPGA信号生成卡生成的量子密钥发送端所需调制信号，包括电压值服从瑞利分布的模拟信号和电压值服从均匀分布的模拟信号；电压值服从瑞利分布的模拟信号输入电光强度调制器，电压值服从均匀分布的模拟信号输入第一电光相位调制器。进一步，所述随机数生成器能够生成用于随机选择测量基的信号，并输入至第二电光相位调制器进行相移0或π/2的随机选择。进一步，所述量子信道为单模光纤或自由空间形成的传输媒介，所述经典信道为经典无线、有线或光纤形成的传输媒介。进一步，所述第一时钟源和第二时钟源分别为量子密钥发送端和量子密钥接收端提供独立的时钟信号，在发送端发送密钥之前，第一时钟源和第二时钟源通过经典信道进行时钟同步。进一步，所述倍频控制器用于倍数增加第二时钟源输出，使得FPGA数据采集卡可以精确采集零差探测器输出。进一步，所述第一时钟源、第二时钟源均采用CG635；所述FPGA信号生成卡、FPGA数据采集卡均采用XilinxVC707与FMC176组合而成；所述第一电光相位调制器、第二电光相位调制器均采用型号MPZ-LN-10的电光相位调制器；所述偏振耦合器采用型号为PBC980PM-FC的偏振光束耦合器；所述电光强度调制器采用型号为MX-LN-10的电光强度调制器；所述脉冲激光器采用型号为OPG1015的皮秒光脉冲发生器；所述零差探测器采用型号为PDA435A的平衡放大光电探测器；所述倍频控制器采用ADF4169。本专利技术所才用的另一技术方案是，一种基于独立时钟源的连续变量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：第一时钟源通过经典信道发送时钟信号至第二时钟源，第二时钟源以接收到的同步信号作为基准时钟信号进行同步；步骤二：时钟同步完成后，第一时钟源输出时钟信号至FPGA信号生成卡，FPGA信号生成卡设置成外部时钟输入模式，生成调制信号；在量子信号发送端，脉冲激光器产生脉冲相干光，经过第一分束器分离成信号光与本振光，信号光依次经过电光强度调制器、第一电光相位调制器调制后与本振光在偏振耦合器中耦合，并通过量子信道发送至量子密钥接收端；在量子信号接收端，量子信号通过偏振分束器分成信号光与本振光，本振光经过第二电光相位调制器使用随机数生成器进行测量基随机选择后与信号光在第二分束器进行干涉；干涉后通过零差探测器进行检测并将检测结果输入FPGA数据采集卡，第二时钟源输出时钟信号经过倍频控制器倍频后作为FPGA数据采集卡的参考时钟；步骤三：量子密钥接收端基于检测到的信号与量子密钥发送端进行密钥协商和私密放大后，两者获得一对安全密钥。本专利技术的有益效果是，第一时钟源和第二时钟源在密钥分发开始之前进行时钟同步，使得两者的时钟信号在短时间内可以保证尽可能的同频同相；同步后的第一时钟源的输出信号用作FPGA信号生成卡生成信号的参考时钟，第二时钟源的输出信号经过倍频后用作FPGA数据采集卡采集信号的参考时钟；基于上述过程，量子密钥接收端和量子密钥发送端不需要进行实时的时钟同步，就能够进行同步的精确的数据采集。本专利技术利用两个独立的时钟源，解决了连续变量量子密钥分发过程中同步时钟信号被控制的安全漏洞。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例的结构框图。图2是本专利技术实施例的量子密钥发送端与量子密钥接收端的原理图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步详细阐述。应当理解，所述实施例仅用于说明本专利技术，而不用于限制本专利技术的保护范围。此外应理解，在阅读了本专利技术描述的内容以后，本领域技术人员可以对本专利技术做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的保护范围。本专利技术基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统，如图1-2所示，包括：第一时钟源，生成时钟信号用作FPGA信号生成卡的参考时钟；第二时钟源，与第一时钟源通过经典信道进行时钟同步，同步后生成的信号经过倍频作为FPGA数据采集卡的参考时钟；量子密钥发送端，用于调制量子信号，信号通过量子信道发送至量子密钥接收端；量子密本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括：量子密钥发送端，用于密钥生成与光脉冲调制，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端；第一时钟源，生成基础时钟参考信号，提供给量子密钥发送端用于光脉冲调制；量子密钥接收端，用于检测量子信号，并根据检测结果与量子密钥发送端进行密钥协商，最终获取安全密钥；第二时钟源，通过经典信道与第一时钟进行时钟同步，生成基础时钟参考信号，用于量子信号检测。

【技术特征摘要】
1.一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括：量子密钥发送端，用于密钥生成与光脉冲调制，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端；第一时钟源，生成基础时钟参考信号，提供给量子密钥发送端用于光脉冲调制；量子密钥接收端，用于检测量子信号，并根据检测结果与量子密钥发送端进行密钥协商，最终获取安全密钥；第二时钟源，通过经典信道与第一时钟进行时钟同步，生成基础时钟参考信号，用于量子信号检测。2.根据权利要求1所述的一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥发送端包括依次连接的：脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；第一分束器，用于将脉冲相干光分离为占总能量1％的信号光与99％本振光；电光强度调制器，用于将第一分束器分离的信号光进行幅度调制，并发送至第一电光相位调制器；第一电光相位调制器，用于将第一分束器分离的信号光进行相位调制，并发送至可调衰减器；可调衰减器，用于将接收到的信号光能量进行衰减至量子水平，并发送至偏振耦合器；偏振耦合器，用于将接收到的信号光和第一分束器分离的本振光耦合成一路量子信号，并通过量子信道传输至量子密钥接收端。3.根据权利要求1所述的一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥接收端，包括依次连接的：偏振分束器，用于在量子信号接收端将量子信号分成占总能量10％的信号光与90％的本振光，第二电光相位调制器，用于将偏振分束器分离的本振光进行测量基随机选择后发送至第二分束器；第二分束器，用于将接收到的本振光与偏振分束器分离的信号光进行干涉，并发送至零差探测器；零差探测器，用于对接收到的本振光和信号光进行零差检测，并将检测结果发送至FPGA数据采集卡。4.根据权利要求1所述的一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述FPGA信号生成卡生成的量子密钥发送端所需调制信号，包括电压值服从瑞利分布的模拟信号和电压值服从均匀分布的模拟信号；电压值服从瑞利分布的模拟信号输入电光强度调制器，电压值服从均匀分布的模拟信号输入第一电光相位调制器。5.根据权利要求1所述的一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述随机数生成器能够生成用于随机选择测量基的信号，并输入至第二电光相位调制器进行相移0或π/2的随机选择。6.根据权利要求1所述的一种基于独立时钟源的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭迎，谢才浪，黄端，廖骎，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43