一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传方法技术

本发明专利技术公开了一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传方法，包括：多用户Alice端，复用模块，多用户Bob端，多用户Alice端、复用模块、多用户Bob端通过光纤依次连接。采用单波长复用的方法实现量子信号和经典信号编码在同一弱相干脉冲上，减少了QKD对硬件设备的额外需求，提高QKD技术的实用性。采用LLO方案关闭窃听者通过操纵公共信道上的LO带来的安全漏洞，采用不平衡延迟线干涉仪实现LLO，使系统可以容忍更强的相位噪声。在单波长复用的基础上结合波分复用，进一步提升系统的系统容量，为开发与下一代网络兼容的相干量子与经典融合系统开辟了现实之路。

A simultaneous interpreting method for single wavelength quantum and classical communication based on LLO

【技术实现步骤摘要】
一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传方法
本专利技术涉及量子信息领域，尤其涉及一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传系统及同传方法。
技术介绍
量子信息科学最实际的应用之一是所谓的QKD(QuantumKeyDistribution，量子密钥分发)技术，它允许两个远程方(传统上称为Alice和Bob)通过完全由窃听者(Eve)控制的不安全量子信道生成安全密钥。该安全密钥可进一步应用于其它密码协议中，以增强通信安全性。但QKD广泛应用的主要障碍之一是成本高，因为在QKD系统中需要使用专用通信基础结构(如暗光纤)和昂贵的设备(如单光子探测器)。因此，有必要提出具有成本效益的QKD解决方案。为了降低成本并提高光纤传输效率，可在现有的光纤基础设施中集成QKD和经典通信系统，以此降低敷设和运营费用，并提高QKD网络的可扩展性。1997年，Townsend首次提出针对QKD和经典信号同时传输的方案。使用CWDM(CoarseWavelengthDivisionMultiplexing，粗波分复用技术)，将1300nmQKD信道与传统的1550nm经典信道进行多路复用，在光纤中实现超过25km的传输。但是量子信号和经典信号分别通过不同的激光器产生，且经过不同的调制光路，造成器件成本过高的弊端。2005年，I.Devetak鉴于基于相干检测的CV-QKD(ContinuousVariable-QuantumKeyDistribution，连续变量-量子密钥分发)与经典相干通信的相似性，首次提出在给定的量子通道上同时传输经典信息和量子信息。2016年，BingQi提出一种相干通信方案，其中经典通信的比特和QKD的高斯分布随机数都编码在同一弱相干脉冲上，并由同一相干接收机进行解码，实现QKD在经典通信中以最小的成本运行。但是其QKD采用的GMCS(GaussianModulatedCoherentState，高斯调制相干态)协议，此协议调制效率较低，严重限制了密钥的传输距离。2018年，CanYang提出一种分层调制相干通信协议，包括用于传统通信的正交相移键控调制和用于连续可变量子密钥分配的离散调制。离散调制协议能够在低信噪比条件下获得高的调制效率，使其成为高斯调制协议的替代方案，实现远距离传输，且调制过程的复杂性较低。但其采用TLO(TransmittedLocalOscillator，发送本地振荡)的相干通信方式，它在公共信道上传播时会导致与LO操作相关联的安全漏洞。现有技术专利：(CN108337088A)提出了一种单纤融合量子密钥分发系统、方法和相关系统，实现量子密钥分发中量子信号与经典信号接近零串扰的共纤融合传输，大幅度降低经典信号对量子信号产生的串扰噪声。但其量子信号和经典信号分别使用不同的硬件设备，造成融合传输成本过高，本专利技术更优的提出在单个波长脉冲下传输CV-QKD信号和经典信号，量子信号和经典信号共用发送器和探测器，在实用性和低成本实现方面提供了一种可行方案。现有技术专利：(CN109586911A)通过在相干光通信信号上叠加量子信号实现相干光通信信号与量子信号的同步传输，但其量子信号采用的高斯调制相干态CV-QKD协议，其密钥协商需要消耗大量的计算资源，导致应用成本增加。本专利技术更优的提出采用离散调制实现CV-QKD，其密钥纠错问题易于解决，且在信噪比很低的时候也能获得很高的调制效率。
技术实现思路
为了解决上述方案出现的问题，本专利技术更优地提出使用LLO(LocalLocalOscillator，本地本地振荡)实现单波长量子与经典同传的方案，量子信号采用离散调制CV-QKD协议，其以正交分量的符号成码，大大简化了高斯调制协议密钥提取的过程，使协议在低性噪比条件下仍然能够保证高的密钥率。与其他方案相比，LLO可以通过设计关闭在Alice和Bob之间的公共信道上因操控LO而产生的任何潜在安全漏洞。本专利技术利用光学相干检测技术，可以在同一平台上同时实现经典通信和量子密钥分发，其最小的硬件需求降低了QKD的应用成本，从而为开发与下一代网络要求兼容的相干量子通信系统开辟了现实之路。本专利技术提供了一种使用相同的通信基础设施同时实现量子与经典通信同传的方法。采用相干通信方法，将经典通信的比特和CV-QKD的随机数都编码在同一弱相干脉冲上，并由同一相干接收机进行解码，CV-QKD无需专用的硬件设备，降低了量子密钥分发的成本。采用LLO方案实现相干检测，在Bob侧生成LO信号，阻止窃听者通过操纵LO信号发动复杂攻击，降低多路复用和解复用的复杂性。本专利技术更优的采用基于RR(ReverseReconciliation，反向协调)离散调制相干态实现CV-QKD。其整体分发过程与高斯调制类似，不同的是在高斯调制方案中Alice是在正则分量上加载连续的信息，而离散调制是随机发送四个相干态之一给Bob，Bob使用零差检测随机地测量两个正则分量之一。经过协商，Alice和Bob共享一串相同的比特串，之后通过纠错和保密增强就可以得到最终密钥。离散调制与高斯调制相比，其协商过程更加简单，且使CV-QKD能适用于更远的距离。为了进一步提高密钥传输距离，本专利技术进一步引入反向协调纠错协议，即Alice利用Bob发送来的校验信息将手中的数据修正的与Bob的数据相一致。为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传系统，包括多用户Alice端，复用模块，检测单元Charlie端和多用户Bob端；所述多用户Alice端、复用模块、检测单元Charlie端和多用户Bob端通过光纤依次连接；所述复用模块包括复用单元1和复用单元2，所述Charlie端包括1个相干检测单元和1个数字信号处理及相位校正单元；复用模块的复用单元1和复用单元2分别通过SMF与相干检测单元连接，相干检测单元与数字信号处理及相位校正单元连接；所述Alice端包括N个Alice用户，N≥1；每个Alice用户包括1个激光器LA、1个PMB(Polarization-MaintainingFiberBeamSplitter，保偏光纤分束器)、1个位移装置、1条延迟线和1个PBC(PolarizationBeamCombiner，偏振耦合器)；LA与PMB连接，PMB分别通过位移装置和延迟线与PBC连接，PBC与复用模块的复用单元1连接；所述Bob端包括N个Bob用户，N≥1；每个用户包括1个激光器LB和1个不平衡延迟线干涉仪；激光器LB通过不平衡延迟线干涉仪与复用模块的复用单元2连接；所述N个激光器LA发送的N束脉冲分别进入90/10的PMB后，被分解成两束光强强度不同的脉冲通过保偏光纤传输，其中光强较弱的脉冲进入位移装置，被位移装置中的90/10的BSa分成光强较弱的量子信号和光强较强的经典信号，并进一步对量子信号和经典信号复用形成位移量子信号；光强较强的脉冲进入延迟线，作为相位参考脉冲用于LA和LB之间的相对相位校正；从保偏光纤输出的位移量子信号和相位参考脉冲进入PBC耦合成正交偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传系统，其特征在于，包括多用户Alice端，复用模块，检测单元Charlie端和多用户Bob端；所述多用户Alice端、复用模块、检测单元Charlie端和多用户Bob端通过光纤依次连接；/n所述复用模块包括复用单元1和复用单元2，所述Charlie端包括1个相干检测单元和1个数字信号处理及相位校正单元；复用模块的复用单元1和复用单元2分别通过SMF与相干检测单元连接，相干检测单元与数字信号处理及相位校正单元连接；/n所述Alice端包括N个Alice用户，N≥1；每个用户包括1个激光器L

【技术特征摘要】
1.一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传系统，其特征在于，包括多用户Alice端，复用模块，检测单元Charlie端和多用户Bob端；所述多用户Alice端、复用模块、检测单元Charlie端和多用户Bob端通过光纤依次连接；
所述复用模块包括复用单元1和复用单元2，所述Charlie端包括1个相干检测单元和1个数字信号处理及相位校正单元；复用模块的复用单元1和复用单元2分别通过SMF与相干检测单元连接，相干检测单元与数字信号处理及相位校正单元连接；
所述Alice端包括N个Alice用户，N≥1；每个用户包括1个激光器LA、1个PMB、1个位移装置、1条延迟线和1个PBC；LA与PMB连接，PMB分别通过位移装置和延迟线与PBC连接，PBC与复用模块的复用单元1连接；
所述Bob端包括N个Bob用户，N≥1；每个用户包括1个激光器LB和1个不平衡延迟线干涉仪；激光器LB通过不平衡延迟线干涉仪与复用模块的复用单元2连接；所述N个激光器LA发送的N束脉冲分别进入90/10的PMB后，被分解成两束光强强度不同的脉冲通过保偏光纤传输，其中光强较弱的脉冲进入位移装置，被位移装置中的90/10的BSa分成光强较弱的量子信号和光强较强的经典信号，并进一步对量子信号和经典信号复用形成位移量子信号；光强较强的脉冲进入延迟线，作为相位参考脉冲用于LA和LB之间的相对相位校正；从保偏光纤输出的位移量子信号和相位参考脉冲进入PBC耦合成正交偏振模式，随后发送到复用单元1进行波分复用和解复用；激光器LB发出的一束脉冲通过不平衡延迟线干涉仪被分解成一前一后两束强度一样的脉冲，进入复用单元2进行波分复用和解复用，随后连同复用单元1输出的信号进入相干检测单元进行外差探测，最后进入数字信号处理及相位校正单元进行信号处理和相对相位校正。


2.根据权利要求1所述的一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传系统，其特征在于，所述位移装置包括一个CR、一个高折射分束器BSa、一个99/1分束器BSb、三个PC、三段HBF、一个TDA、一个PM、一个AM和一个PD；CR与BSa连接，BSa沿顺时针方向通过PC1与HBFL1连接，HBFL1通过TDA与PM连接，PM通过PC2与HBFL2连接，HBFL2通过BSb与AM连接，AM通过PC3与HBFL3连接，HBFL3与BSa连接，PD与BSb连接。


3.根据权利要求2所述的一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传系统，其特征在于，所述位移装置选取三阶高双折射光子晶体光纤Sagnac环。


4.根据权利要求1所述的一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传系统，其特征在于，所述复用模块的复用单元1和复用单元2均包括一个波分复用器和一个波分解复用器，所述波分复用器和波分解复用器相互通过G654-110光纤连接，所述G654-110光纤为低损耗大有效面积单模光纤。


5.根据权利要求4所述的一种基于LLO的单波长量子与经典通信同传系统，其特征在于，在复用模块进行传输时，不同信道之间采用非等间隔分布的波长，波长范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭邦红，张倩琳，胡敏，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44