一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法技术

本发明专利技术公开一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，依次为：发送方，激光器产生激光脉冲通过幅度调制器调节信号，再通过第一偏振分束器分解成两束正交的偏振光束；两束偏振光束通过I/Q调制，完成极化成对编码后，通过偏振合束器，再进行信号传输；信号接收后：通过第二偏振分束器对偏振复用信号进行解复用，获得两束偏振光束；再结合本地振荡器通过分束器获得的两束本地振荡信号，通过光电探测器完成相干检测，测量两束偏振光束；再经过极化成对解码模块进行极化成对解码，获得发送方传送的信号。本发明专利技术解决现有技术中偏振相关损耗会累积，导致信号失真增加，产生更大的误差，从而限制系统中的密钥分发速率和传输距离的问题。

A polarization pairing coding method for quantum key distribution with continuous variables in free space

【技术实现步骤摘要】
一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法
本专利技术属于连续变量量子密钥分发
，涉及一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法。
技术介绍
在互联网时代，信息科学高速发展，如何提高数据的保密性和安全性一直是用户重点关心的问题。因此，信息安全这一重要的科学探索课题对于现代发展有着时代意义。目前被大范围使用的密码体系是以未被完美推算出来的数学难题为基础的，然而随着技术的发展，当前计算机的计算能力正在不断突破，第一台量子计算机已经问世。这意味着这种基于数学难题的信息安全体系在不久的未来将受到艰难的挑战，因此必须探寻新型有效的加密方式来直面将要面对的难题。自1984年量子密钥分发协议被Bennett和Brassard最先提出讨论，量子保密通信技术日渐成熟。量子保密通信的巨大优势在于其绝对安全性，这是由神奇的量子所遵循的海森堡测不准原理及量子态无法被窃听者精确克隆的特性所保证的。经过几十年的发展，量子保密通信从最开始的单光子离散通信系统，到现在被广泛讨论的连续变量量子密钥分发系统，量子保密通信技术的迅猛发展让世界为之瞩目。连续变量量子密钥分发技术朝着长距离、大容量传输方向发展，信道复用技术是建立实用量子通信网络的重要途径，其中正交相移调制和偏振多路复用成为关注的焦点。在不增加带宽资源的情况下，利用波长信道的正交偏振复用可以使传输容量增加一倍。对于一个偏振复用相干光学系统，尽可能保证两个相关通道的正交性是非常重要的。而环形器、隔离器、复用器等光学器件带来的偏振相关损耗影响，会破坏正交性，从而成为基于偏振复用的连续变量量子密钥分发系统所面临的挑战之一。偏振相关损耗是由晶体二向性引起的，描述了偏振态间最大传输差异，体现在偏振复用时正交的偏振态间在不同程度上衰减，最终导致信号偏振之间不平衡的信噪比。由于其非单一性，这是一个尚未解决的问题。传输中一直偏振相关损耗会累积，导致信号失真增加，产生更大的误差，从而限制了系统中的密钥分发速率和传输距离。为了克服偏振相关损耗问题，在经典光通信领域C.Zhu提出了极化成对编码方案。但是相比经典光通信，连续变量量子密钥分发中的信号幅度小很多，正常工作的信噪比较低，信号处理方式及有效密钥率的分析均大相径庭。本专利技术拟采用极化成对编码的思想，结合连续变量量子密钥分发系统的工作机制，来研究如何对抗偏振相关损耗问题。
技术实现思路
为了达到上述目的，本专利技术提供一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，解决了现有技术中存在的偏振相关损耗会累积，导致信号失真增加，产生更大的误差，从而限制了系统中的密钥分发速率和传输距离的问题。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是，一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，按照以下步骤进行：步骤A，连续变量量子密钥发送过程：在发送方，激光器产生的激光脉冲通过幅度调制器调节信号强弱，再通过第一偏振分束器分解成两束正交的偏振光束；两束偏振光束分别通过I/Q调制，完成极化成对编码操作后，通过偏振合束器变为偏振复用信号；经由信号发射装置进入自由空间量子信道进行传输，再由接收方接收并处理；步骤B，连续变量量子密钥接收过程：接收方通过信号接收装置接收信号，通过第二偏振分束器对偏振复用信号进行解复用，获得两束偏振光束；再结合本地振荡器通过分束器获得的两束本地振荡信号，通过光电探测器完成相干检测，测量两束偏振光束；再经过极化成对解码模块进行极化成对解码，获得发送方传送的信号。进一步的，所述步骤A中两束偏振光束分别通过I/Q调制，完成极化成对编码操作后，通过偏振合束器变为偏振复用信号的具体过程是：两束偏振光束一束为X路偏振光束，一束为Y路偏振光束；X路偏振光束通过第一耦合器，Y路偏振光束通过第二耦合器；通过第一耦合器的偏振光束变成两束相同的光束，一束直接导通至第一马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EI1(t)，一束通过第一移相器后导通至第二马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EI2(t)；通过第二耦合器的偏振光束变成两束相同的光束，一束直接导通至第三马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EQ1(t)，一束通过第二移相器后导通至第四马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EQ2(t)；EI1(t)和EI2(t)通过第三耦合器合成X-偏振态信号TXn，EQ1(t)和EQ2(t)通过第四耦合器合成Y-偏振态信号TYn；X-偏振态信号TXn和Y-偏振态信号TYn通过偏振合束器获得偏振复用信号。进一步的，所述步骤A还包括：在发送方，第一量子随机数发生器生成的随机码Xn，通过第一电平发生器和第一调制器驱动将第一量子随机数发生器生成的随机码调制成驱动信号I1(t)、Q1(t)；第二量子随机数发生器生成的随机码Yn，通过第二电平发生器和第二调制器驱动将第二量子随机数发生器生成的随机码调制成驱动信号I2(t)、Q2(t)；驱动信号I1(t)、I2(t)直接作用于第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器时，得到的X-偏振态信号TXn，符号映射得到信号Xθ，驱动信号Q1(t)、Q2(t)直接作用于第三马赫曾德尔调制器和第四马赫曾德尔调制器时，得到的Y-偏振态信号TYn，符号映射得到信号Yθ；使得Xθ实部对应X-偏振态信号TXn的实部，虚部对应Y-偏振态信号TYn的实部；Yθ的虚部对应Y-偏振态信号TYn的虚部，实部对应X-偏振态信号TXn的虚部。进一步的，所述符号映射得到信号Xθ，具体为通过驱动信号I1(t)、Q1(t)对X路偏振光束进行作用时调制得信号Xθ，通过驱动信号I2(t)、Q2(t)对Y路偏振光束进行作用时调制得信号Yθ。进一步的，所述I1(t)对应Xθ的实部Q1(t)对应Xθ的虚部I2(t)对应Yθ的实部Q2(t)对应Yθ的虚部进一步的，所述步骤B还包括：步骤B1：经过存在信道干扰和传输损耗自由空间量子信道后，传输的偏振复用信号被接收方接收探测，探测得到的信号为EXn和EYn，进入极化成对解码模块；步骤B2：利用统计矩量法分别对接收到的信号EXn和EYn进行信噪比估计；通过对EXn和EYn进行异或运算，平衡噪声的方差，获得信号TXn'和TYn'；步骤B3：在极化成对解码模块中，对TXn'和TYn'的实部和虚部进行预编码的反过程；TXn'的实部对应Xθ'的实部，TXn'的虚部对应Yθ'的实部，TYn'的实部对应Xθ'的虚部，TYn'的虚部对应Yθ'的虚部；再进行极大似然估计，得到信号Xn'和Yn'；步骤B4：通信双方通过常规的后处理过程，获得最终安全的密钥。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供一种简单易行的自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，来克服偏振相关损耗问题。在偏振复用的系统中，由于偏振相关损耗的影响，光信号的同向(I)分量、正交(Q)分量的信噪比不平衡，从而导致两束原本正交的偏振信号失去正交性，传输性能降低。而连续变量量子密钥分发系统中，密钥分发速率K＝βI(a：b)-χ(b：EC)，β为协商效率，I(a：b)为发送方与接收方之间的信息量，χ(b：EC)为Hole本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，其特征在于，按照以下步骤进行：/n步骤A，连续变量量子密钥发送过程：在发送方，激光器产生的激光脉冲通过幅度调制器调节信号强弱，再通过第一偏振分束器分解成两束正交的偏振光束；两束偏振光束分别通过I/Q调制，完成极化成对编码操作后，通过偏振合束器变为偏振复用信号；经由信号发射装置进入自由空间量子信道进行传输，再由接收方接收并处理；/n步骤B，连续变量量子密钥接收过程：接收方通过信号接收装置接收信号，通过第二偏振分束器对偏振复用信号进行解复用，获得两束偏振光束；再结合本地振荡器通过分束器获得的两束本地振荡信号，通过光电探测器完成相干检测，测量两束偏振光束；再经过极化成对解码模块进行极化成对解码，获得发送方传送的信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤A，连续变量量子密钥发送过程：在发送方，激光器产生的激光脉冲通过幅度调制器调节信号强弱，再通过第一偏振分束器分解成两束正交的偏振光束；两束偏振光束分别通过I/Q调制，完成极化成对编码操作后，通过偏振合束器变为偏振复用信号；经由信号发射装置进入自由空间量子信道进行传输，再由接收方接收并处理；
步骤B，连续变量量子密钥接收过程：接收方通过信号接收装置接收信号，通过第二偏振分束器对偏振复用信号进行解复用，获得两束偏振光束；再结合本地振荡器通过分束器获得的两束本地振荡信号，通过光电探测器完成相干检测，测量两束偏振光束；再经过极化成对解码模块进行极化成对解码，获得发送方传送的信号。


2.根据权利要求1所述的一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，其特征在于，所述步骤A中两束偏振光束分别通过I/Q调制，完成极化成对编码操作后，通过偏振合束器变为偏振复用信号的具体过程是：
两束偏振光束一束为X路偏振光束，一束为Y路偏振光束；X路偏振光束通过第一耦合器，Y路偏振光束通过第二耦合器；通过第一耦合器的偏振光束变成两束相同的光束，一束直接导通至第一马赫曾德尔调制器获得调制后的信号一束通过第一移相器后导通至第二马赫曾德尔调制器获得调制后的信号通过第二耦合器的偏振光束变成两束相同的光束，一束直接导通至第三马赫曾德尔调制器获得调制后的信号一束通过第二移相器后导通至第四马赫曾德尔调制器获得调制后的信号和通过第三耦合器合成X-偏振态信号TXn，和通过第四耦合器合成Y-偏振态信号TYn；X-偏振态信号TXn和Y-偏振态信号TYn通过偏振合束器获得偏振复用信号。


3.根据权利要求1或2所述的一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，其特征在于，所述步骤A还包括：
在发送方，第一量子随机数发生器生成的随机码Xn，通过第一电平发生器和第一调制器驱动将第一量子随机数发生器生成的随机码调制成驱动信号I1(t)、Q1(t)；第二量子随机数发生器生成的随机码...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭迎，唐瑞明，陈国俊，蔡明璐，吴学林，莫伟，曹昱，毛云，
申请(专利权)人：无锡太湖学院，中南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32