基于单个参考光脉冲单零差探测的连续变量量子密钥分发系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于单个参考光脉冲单零差探测的连续变量量子密钥分发系统，其发送方包括光源、第一不等臂干涉仪、信号光调制模块、同步光模块和波分复用模块，且接收方包括本振光源、第二不等臂干涉仪、第二相位调制单元、零差探测模块、波分解复用模块、同步光探测模块及数据后处理模块。由此，通过采用单零差探测方式来避免双零差探测的正交不平衡现象，同时对应每个信号光脉冲只需发送单个参考光脉冲，避免了制备双同参考光脉冲的困难，并提高了脉冲使用效率。此外，该系统采用的相位估计方法还考虑了两个激光器中心波长差异导致的参考光脉冲和信号光脉冲之间的相移，从而能够更为准确地估计经过高斯调制的信号光脉冲在调制前相对于本振光的相位。

Continuous variable quantum key distribution system based on single reference pulse single zero difference detection

The invention provides a continuous variable quantum key distribution system based on single reference light pulse single zero difference detection. The sender includes a light source, a first unequal arm interferometer, a signal optical modulation module, a synchronous optical module and a wavelength division multiplexing module, and the receiver includes a local vibration light source, a second unequal arm interferometer, a second phase modulation unit, a zero difference detection module and a wavelength division multiplexing module Block, synchronous optical detection module and data post-processing module. Therefore, the single zero difference detection method is used to avoid the quadrature imbalance phenomenon of double zero difference detection. At the same time, only a single reference optical pulse is sent for each signal optical pulse, which avoids the difficulty of preparing double reference optical pulse and improves the pulse efficiency. In addition, the phase estimation method used in the system also considers the phase shift between the reference pulse and the signal pulse caused by the difference of the central wavelengths of the two lasers, so that the phase position of the signal pulse modulated by Gauss can be estimated more accurately relative to the local light before modulation.

【技术实现步骤摘要】
基于单个参考光脉冲单零差探测的连续变量量子密钥分发系统
本专利技术涉及量子通信领域，尤其涉及基于单个参考光脉冲单零差探测的连续变量量子密钥分发系统。
技术介绍
量子密钥分发(QKD)作为量子通信领域中的基石，发展已越来越成熟，其根据调制手段和探测方式的不同可分为离散变量(DV)QKD和连续变量(CV)QKD。其中，CV-QKD由于采用的是相干探测方式如零差探测所以其利用经典相干光通信的技术手段就能实现。早期的CV-QKD系统采用的是传输本振光(TLO)方案，即本振光和信号光皆来源于发送方。这种方案容易受到针对本振光的各种攻击，因此本地本振光(LLO)方案近年来开始受到广泛关注。对于LLO方案来说，最重要的是建立信号光和本振光之间的相位参考，即要进行相位估计和相位纠正。相位估计是估计信号光调制前相对于与本振光的相位，而相位纠正是对发送方的调制数据或接收方的探测数据根据估计的相位进行数据修正。在LLO方案中，由于信号光和本振光各自采用了一个激光器，而两个激光器的相位各自会漂移，因此信号光相对于本振光的相位是一直在变化的，需要实时测量这个相对相位。现有的解决方案是激光器发送的脉冲中一些作为参考光脉冲，一些作为信号光脉冲。一般来说，用前一个参考光脉冲相对于本振光脉冲的相位作为接下一个信号光脉冲未经调制时相对于本振光脉冲的相位。而要准确得到参考光的相对相位，现有的方案中要么是对单个参考光脉冲采用双零差探测方式，即同时测量这个参考光脉冲的X分量和P分量，要么是对双同参考光脉冲采用单零差探测方式，即对这两个相同的参考光脉冲依次测量X分量和P分量。上述这种通过直接调制激光脉冲产生参考光脉冲和信号光脉冲的方案对两个激光器的要求比较高。激光器的相位漂移会导致相位噪声。为了降低相位噪声，可以提高系统的重复频率，或者采用窄线宽的激光器。为了降低对激光器的要求，可以利用不等臂干涉仪将激光器发出的每个脉冲分成前后的两个脉冲分别作为参考光和信号光脉冲。这样的得到的参考光脉冲和信号光脉冲有相同的波前，可以大大降低参考光脉冲和信号光脉冲之间的相位漂移。在现有CV-QKD实验中，更常用的是单零差探测，这是因为双零差探测不仅需要两个平衡探测器，而且还需要添加90度混频器。混频器内部3dB耦合器分光比不对称或光电二极管响应率不匹配可能会造成X和P分量的两路信号之间幅度以及相位的失配，这被称为正交不平衡现象。对于该现象，目前在CV-QKD中尚未有补偿的方法。而若采用双同参考光脉冲单零差探测，对应每个信号光脉冲需要制备两个相同的参考光脉冲，这不仅为制备参考光脉冲带来困难，而且只有三分之一的脉冲能作为信号光脉冲，降低了脉冲使用效率。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于单个参考光脉冲单零差探测的连续变量量子密钥分发系统，其采用新的相位估计方法，可以使用单零差探测方式以避免双零差探测的正交不平衡现象，同时对应每个信号光脉冲只需发送单个参考脉冲，降低了制备参考光脉冲的困难，提高了光脉冲使用效率。此外，该系统在后处理中还考虑了两个激光器中心波长的差异导致的参考光脉冲和信号光脉冲之间的相移，从而能够更为准确地估计信号光脉冲未经调制时相对于本振光的相位。本专利技术涉及一种基于单个参考光脉冲单零差探测的连续变量量子密钥分发系统，其包括发送方Alice和接收方Bob。所述发送方Alice可以包括光源111、第一不等臂干涉仪112、信号光调制模块113、同步光模块114和波分复用模块115。所述光源111可以用于提供激光脉冲。所述不等臂干涉仪112可以用于将所述激光脉冲分成前后两个光脉冲，其中，所述两个光脉冲之一为信号光脉冲，另一个为参考光脉冲。所述信号光调制模块113可以被设置成对经过的大部分所述信号光脉冲进行高斯调制，其余的所述信号光脉冲不做任何调制。所述同步光模块114可以用于提供同步光。所述波分复用模块115可以用于对所述信号光脉冲、参考光脉冲和同步光进行波分复用，使其沿一路输出。并且，所述接收方Bob可以包括本振光源211、第二不等臂干涉仪212、第二相位调制单元213、零差探测模块214、波分解复用模块215、偏振控制单元216以及同步光探测模块217。所述本振光源211可以用于提供激光脉冲。所述第二不等臂干涉仪212可以用于接收所述本振光源211的所述激光脉冲并将其分成前后两个光脉冲，其中，所述两个光脉冲之一为第一本振光脉冲，另一个为第二本振光脉冲。所述第二相位调制单元213可以用于对所述第一本振光脉冲和所述第二本振光脉冲分别随机地进行0或者π/2的相位调制。所述零差探测模块214可以用于对参考光脉冲和第一本振光脉冲的干涉结果进行零差探测，以及对信号光脉冲和第二本振光脉冲的干涉结果进行零差探测。所述波分解复用模块215可以用于对所述信号光脉冲或者参考光脉冲和同步光进行解复用。所述偏振控制单元216，用于对所述参考光脉冲和所述信号光脉冲进行偏振控制，使得它们的偏振能够和所述第一本振光脉冲和所述第二本振光脉冲偏振一致。所述同步光探测模块217可以用于接收所述同步光以将其用于产生时钟信号。优选地，所述第一不等臂干涉仪112可以包括第一保偏分束单元1121、第一保偏偏振合束单元1122以及位于两者之间的长臂和短臂。优选地，所述信号光调制模块113可以包括幅度调制单元1131和第一相位调制单元1132和可调衰减单元1133。优选地，所述波分复用模块115可以为密集波分复用器。优选地，所述第二不等臂干涉仪212可以包括第二保偏分束单元2121、第二保偏偏振合束单元2122以及位于两者之间的长臂和短臂。优选地，所述零差探测模块214可以包括单个平衡探测单元。优选地，所述偏振控制单元216可以为电动偏振控制器。优选地，第一不等臂干涉仪112和第二不等臂干涉仪212的臂长差相同。进一步地，所述接收方Bob还可以包括数据后处理模块218，用于对所述零差探测模块214输出的探测结果进行数据处理。更进一步地，所述数据后处理模块218还可以被设置成根据由所述零差探测模块214输出的有关未经调制的所述信号光脉冲的探测结果及相应的所述参考光脉冲的探测结果估计所述经过高斯调制的信号光脉冲在调制前相对于所述本振光脉冲的相位θS。所述数据后处理模块218可以进一步设置成利用高斯-牛顿算法对下列方程组进行数据拟合得出相移其中，为所述参考光脉冲的幅度，xBR为有关所述参考光脉冲X分量的测量结果,为xBR的数量，pBR为有关所述参考光脉冲P分量的测量结果,为pBR的数量；为未经调制的所述信号光脉冲的幅度，xBS为有关所述信号光脉冲X分量的测量结果,为xBS的数量，pBS为有关所述信号光脉冲P分量的测量结果,为pBS的数量；所述相移为所述光源111与所述本振光源211之间的波长差异导致的所述参考光脉冲相对于所述本振光的相位θR和所述信号光脉冲相对于所述本振光的相位θS之间的相移。所述数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单个参考光脉冲单零差探测的连续变量量子密钥分发系统，其包括发送方Alice和接收方Bob，所述连续变量量子密钥分发系统的特征在于：/n所述发送方Alice包括光源(111)、第一不等臂干涉仪(112)、信号光调制模块(113)、同步光模块(114)和波分复用模块(115)，其中，/n所述光源(111)用于提供激光脉冲；/n所述不等臂干涉仪(112)用于将所述激光脉冲分成前后两个光脉冲，其中，所述两个光脉冲之一为信号光脉冲，另一个为参考光脉冲；/n所述信号光调制模块(113)被设置成仅对经过的大部分所述信号光脉冲进行高斯调制，其余的所述信号光脉冲不作任何调制；/n所述同步光模块(114)用于提供同步光；并且/n所述波分复用模块(115)用于对所述信号光脉冲、所述参考光脉冲和所述同步光进行波分复用，使其沿一路输出；/n所述接收方Bob包括本振光源(211)、第二不等臂干涉仪(212)、第二相位调制单元(213)、零差探测模块(214)、波分解复用模块(215)、偏振控制模块(216)及同步光探测模块(217)，其中，/n所述本振光源(211)用于提供激光脉冲；/n所述第二不等臂干涉仪(212)用于接收所述本振光源(211)的所述激光脉冲并将其分成前后两个光脉冲，其中，所述两个光脉冲之一为第一本振光脉冲，另一个为第二本振光脉冲；/n所述第二相位调制单元(213)用于对所述第一本振光脉冲和所述第二本振光脉冲分别随机地进行0或者π/2的相位调制；/n所述零差探测模块(214)用于对所述参考光脉冲和所述第一本振光脉冲的干涉结果进行零差探测，以及对所述信号光脉冲和所述第二本振光脉冲的干涉结果进行零差探测；/n所述波分解复用模块(215)用于对所述信号光脉冲、所述参考光脉冲和所述同步光进行解复用；/n所述偏振控制模块(216)用于对所述参考光脉冲和所述信号光脉冲进行偏振控制，使得它们的偏振与所述第一本振光脉冲和所述第二本振光脉冲的偏振一致；/n所述同步光探测模块(217)用于接收所述同步光以将其用于产生时钟。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于单个参考光脉冲单零差探测的连续变量量子密钥分发系统，其包括发送方Alice和接收方Bob，所述连续变量量子密钥分发系统的特征在于：
所述发送方Alice包括光源(111)、第一不等臂干涉仪(112)、信号光调制模块(113)、同步光模块(114)和波分复用模块(115)，其中，
所述光源(111)用于提供激光脉冲；
所述不等臂干涉仪(112)用于将所述激光脉冲分成前后两个光脉冲，其中，所述两个光脉冲之一为信号光脉冲，另一个为参考光脉冲；
所述信号光调制模块(113)被设置成仅对经过的大部分所述信号光脉冲进行高斯调制，其余的所述信号光脉冲不作任何调制；
所述同步光模块(114)用于提供同步光；并且
所述波分复用模块(115)用于对所述信号光脉冲、所述参考光脉冲和所述同步光进行波分复用，使其沿一路输出；
所述接收方Bob包括本振光源(211)、第二不等臂干涉仪(212)、第二相位调制单元(213)、零差探测模块(214)、波分解复用模块(215)、偏振控制模块(216)及同步光探测模块(217)，其中，
所述本振光源(211)用于提供激光脉冲；
所述第二不等臂干涉仪(212)用于接收所述本振光源(211)的所述激光脉冲并将其分成前后两个光脉冲，其中，所述两个光脉冲之一为第一本振光脉冲，另一个为第二本振光脉冲；
所述第二相位调制单元(213)用于对所述第一本振光脉冲和所述第二本振光脉冲分别随机地进行0或者π/2的相位调制；
所述零差探测模块(214)用于对所述参考光脉冲和所述第一本振光脉冲的干涉结果进行零差探测，以及对所述信号光脉冲和所述第二本振光脉冲的干涉结果进行零差探测；
所述波分解复用模块(215)用于对所述信号光脉冲、所述参考光脉冲和所述同步光进行解复用；
所述偏振控制模块(216)用于对所述参考光脉冲和所述信号光脉冲进行偏振控制，使得它们的偏振与所述第一本振光脉冲和所述第二本振光脉冲的偏振一致；
所述同步光探测模块(217)用于接收所述同步光以将其用于产生时钟。


2.如权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述第一不等臂干涉仪(112)包括第一保偏分束单元(1121)、第一保偏偏振合束单元(1122)以及位于两者之间的长臂和短臂；并且/或者所述第二不等臂干涉仪(212)包括第二保偏分束单元(2121)、第二保偏偏振合束单元(2122)以及位于两者之间的长臂和短臂。


3.如权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统，其中，所述信号光调制模块(113)包括幅度调制单元(1131)和第一相位调制单元(1132)和可调衰减单元(1133)；并且/或者所述波分复用模块(115...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹密，陈腾云，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34