基于SVM处理的连续变量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基于SVM处理的连续变量量子密钥分发系统及其实现方法，量子密钥发送端离散调制量子信号并发送至量子密钥接收端，量子密钥接收端对接收到的信号进行检测，并将检测结果送至基于SVM的后处理模块，基于SVM的后处理模块采用SVM法对接收到的信号进行处理。本发明专利技术能够克服量子密钥分发系统中的非线性相位噪声，进一步提高了离散调制的连续变量量子密钥分发系统的传输距离和通信容量。

Continuous variable quantum key distribution system based on SVM processing and its implementation method

The invention discloses a continuous variable quantum key distribution system based on SVM processing and its implementation method. The quantum key transmitter modulates the quantum signal and sends it to the quantum key receiver. The quantum key receiver detects the received signal and sends the detection results to the post processing module based on the SVM, based on the SV. The post processing module of M processes the received signal by SVM method. The present invention can overcome the nonlinear phase noise in the quantum key distribution system, and further improve the transmission distance and the communication capacity of the discrete modulated continuous variable quantum key distribution system.

【技术实现步骤摘要】
基于SVM处理的连续变量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SVM处理的离散调制的连续变量量子密钥分发系统及其实现方法。
技术介绍
量子密钥分发能使两个远距离处在不可信任的量子信道中安全共享密钥，其安全性由量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理进行保证。目前量子密钥分发分为离散变量和连续变量两种类型。与离散变量量子密钥分发相比，连续变量量子密钥分发其量子态更容易制备，能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。然而，连续变量量子密钥分发在长距离通信时协商效率较低。在长距离通信时，离散调制的连续变量量子密钥分发能够保持较高的协商效率，这使得离散调制的连续变量量子密钥分发更适合用于远距离通信。目前连续变量量子密钥分发还没有进入完全商业化，主要原因是由于其实际性能跟理论性能还有较大的差距。量子密钥分发系统中存在的非线性噪声，如非线性相位噪声，是限制系统传输距离和通信容量进一步提高的重要因素。因此，如何克服这些噪声对系统性能的影响尤为重要。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提供一种基于SVM处理的连续变量量子密钥分发系统及其实现方法，解决了量子密钥分发系统中存在的非线性噪声限制系统传输距离和通信容量的问题。本专利技术所采用的技术方案是，基于SVM处理的连续变量量子密钥分发系统，包括：量子密钥发送端，用于离散调制量子信号，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端；量子密钥接收端，用于检测量子信号，并将检测结果发送至基于SVM的后处理模块；基于SVM的后处理模块，用于处理量子密钥接收端发送的检测结果，并根据处理结果与量子密钥发送端进行密钥协商，最终获取安全密钥。进一步的，所述量子密钥发送端包括：脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；偏振器，用于控制脉冲激光器产生的信号光的偏振态，并发送至第一可调衰减器；第一可调衰减器，用于将偏振器送至的信号进行衰减至合适的光强水平，光强水平根据所处理的信号光的不同而进行设置，并发送至第一分束器；第一分束器，用于将脉冲相干光分离为1％量子水平的信号光与99％量子水平的本振光；现场可编程门阵列信号生成卡，用于生成量子密钥发送端所需调制信号，控制第一电光相位调制器进行离散调制，并将离散调制信号送至第一PC端；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，从而完成离散调制，并发送至第二可调衰减器；第二可调衰减器，用于将第一电光相位调制器输出的信号光进行衰减为量子水平，并发送至偏振耦合器；偏振耦合器，用于将第二可调衰减器发出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。进一步的，所述量子密钥接收端包括：偏振控制器，用于校准量子信道送至的量子信号的偏振态，并发送至偏振分束器；偏振分束器，用于将偏振控制器送至的量子信号分成10％的信号光与90％的本振光；随机数产生器，用于随机生成比特信息，随机数生成器的比特信息用于控制第二电光相位调制器对本振光进行相位调制，随机数产生器将生成的随机数信号输送至现场可编程门阵列数据采集卡；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相位调制，从而实现测量基选择，并将本振光发送至第二分束器；第二分束器，用于将第二电光相位调制器发出的本振光与偏振分束器分离的信号光进行干涉，差分通过本振光和信号光通过的路径差来实现，并发送至零差探测器；零差探测器，用于对进行过干涉和差分的本振光和信号光进行零差检测，获得随机选择的正交分量的测量结果，并将检测结果发送至基于SVM的后处理模块。进一步的，所述基于SVM的后处理模块包括：现场可编程门阵列数据采集卡，用于采集零差探测器送至的信号以及随机数生成器的随机数信号，并将采集到的信号送至第二PC端；第一PC端，用于处理现场可编程门阵列信号生成卡送至的离散调制信号；第二PC端，用于对采集到的信号进行SVM法处理，将接收到的一部分数据作为训练数据，分为具体的类别，然后根据训练数据对后续接收到的数据进行分类，与第一PC端进行纠错协商和私密放大，并用GPU进行加速处理。进一步的，所述脉冲激光器的型号为ThorlabsOPG1015皮秒光脉冲发生器，第一电光相位调制器的型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，偏振耦合器的型号为ThorlabsPBC980PM-FC偏振光束耦合器，现场可编程门阵列信号生成卡由XilinxVC707与FMC176组合而成。进一步的，所述第二电光相位调制器的型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，零差探测器的型号为ThorlabsPDA435A平衡放大光电探测器。进一步的，所述现场可编程门阵列数据采集卡由XilinxVC707与FMC176组合而成。本专利技术所采用的另一技术方案是，基于SVM处理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、在量子秘钥发送端，现场可编程门阵列信号生成卡生成调制信号用于控制第一电光相位调制器，脉冲激光器产生脉冲相干光，经过偏振器控制其偏振态，之后通过第一可调衰减器衰减，再经过第一分束器分离成信号光与本振光，信号光依次经过第一电光相位调制器和第二可调衰减器后与本振光在偏振耦合器中耦合形成量子秘钥，并通过量子信道发送至量子密钥接收端；步骤二、在量子秘钥接收端，量子秘钥通过偏振控制器调整偏振态，再经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送至基于SVM的后处理模块；步骤三、基于SVM的后处理模块对检测到的信号采用现场可编程门阵列采集卡进行采集，将采集到的信号送至第二PC端；第二PC端采用SVM法处理采集到的信号，再运用Polar码与第一PC端进行纠错协商，并利用哈希法进行私密放大后，通信双方获得一对安全密钥。本专利技术的有益效果是，基于SVM的处理模块先用SVM法对现场可编程门阵列数据采集卡采集到的信号进行分类处理，提高检测结果的准确性，降低纠错协商的负担；处理后的信号采用Polar码与发送端进行纠错协商，之后通过私密放大来提高密钥的安全性。本专利技术利用基于SVM的后处理模块，克服了离散调制的连续变量量子密钥分发系统中存在的非线性相位噪声，提高了系统的传输距离和通信容量。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。图中，1.脉冲器光器，2.偏振器，3.第一可调衰减器，4.第一分束器，5.第一电光相位调制器，6.第二可调衰减器，7.偏振耦合器，8.偏振控制器，9.偏振分束器，10.随机数生成器，11.第二电光相位调制器，12.第二分束器，13.零差探测器，14.现场可编程门阵列(FPGA)数据采集卡，15.第二PC端，16.第一PC端，17.现场可编程门阵列(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于SVM处理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，用于离散调制量子信号，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端；量子密钥接收端，用于检测量子信号，并将检测结果发送至基于SVM的后处理模块；基于SVM的后处理模块，用于处理量子密钥接收端发送的检测结果，并根据处理结果与量子密钥发送端进行密钥协商，最终获取安全密钥。

【技术特征摘要】
1.基于SVM处理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，用于离散调制量子信号，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端；量子密钥接收端，用于检测量子信号，并将检测结果发送至基于SVM的后处理模块；基于SVM的后处理模块，用于处理量子密钥接收端发送的检测结果，并根据处理结果与量子密钥发送端进行密钥协商，最终获取安全密钥。2.根据权利要求1所述的基于SVM处理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：脉冲激光器(1)，用于产生脉冲相干光；偏振器(2)，用于控制脉冲激光器(1)产生的信号光的偏振态，并发送至第一可调衰减器(3)；第一可调衰减器(3)，用于将偏振器(2)送至的信号进行衰减至合适的光强水平，光强水平根据所处理的信号光的不同而进行设置，并发送至第一分束器(4)；第一分束器(4)，用于将脉冲相干光分离为1％量子水平的信号光与99％量子水平的本振光；现场可编程门阵列信号生成卡(17)，用于生成量子密钥发送端所需调制信号，控制第一电光相位调制器(5)进行离散调制，并将离散调制信号送至第一PC端(16)；第一电光相位调制器(5)，用于将第一分束器(4)分离的信号光进行相位调制，从而完成离散调制，并发送至第二可调衰减器(6)；第二可调衰减器(6)，用于将第一电光相位调制器(5)输出的信号光进行衰减为量子水平，并发送至偏振耦合器(7)；偏振耦合器(7)，用于将第二可调衰减器(6)发出的信号光和第一分束器(4)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所述的基于SVM处理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：偏振控制器(8)，用于校准量子信道送至的量子信号的偏振态，并发送至偏振分束器(9)；偏振分束器(9)，用于将偏振控制器(8)送至的量子信号分成10％的信号光与90％的本振光；随机数产生器(10)，用于随机生成比特信息，随机数生成器(10)的比特信息用于控制第二电光相位调制器(11)对本振光进行相位调制，随机数产生器(10)将生成的随机数信号输送至现场可编程门阵列数据采集卡(14)；第二电光相位调制器(11)，用于将偏振分束器(9)分离的本振光进行相位调制，从而实现测量基选择，并将本振光发送至第二分束器(12)；第二分束器(12)，用于将第二电光相位调制器(11)发出的本振光与偏振分束器(9)分离的信号光进行干涉，差分通过本振光和信号光通过的路径差来实现，并发送至零差探测器(13)；零差探测器(13)，用于对进行过干涉和差分的本振光和信号光进行零差检测，获得随机选择的正交分量的测量结果，并将检测结果发送至基于SVM的后处理模块。4.根据权利要求1所述的基于SVM处理的连续变量量子密钥分发系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭迎，李嘉伟，毛宇，赵微，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43