基于离散态的一维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离散态的一维连续变量量子密钥分发系统及其实现方法，所述系统包括发送端、传输信道和接收端，所述发送端将经过一维离散调制的信号光与本振光耦合后，通过量子信道输送至接收端，所述接收端对其进行处理检测后，通过经典信道与发送端进行纠错协商获得最终的量子密钥；本发明专利技术通过一维离散调制简化了调制方案，降低了实现成本，使量子密钥分发在短距离密钥传输中应用更为广泛。钥分发在短距离密钥传输中应用更为广泛。钥分发在短距离密钥传输中应用更为广泛。

【技术实现步骤摘要】
基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统及其实现方法


[0001]本专利技术属于量子密钥分发
，特别是涉及一种基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统及其实现方法。

技术介绍

[0002]量子密钥分发(QKD)技术作为目前最有前途、最可行的技术之一，在量子物理学中有着广阔的应用前景，离散变量量子密钥分发(DVQKD)和连续变量量子密钥分发(CVQKD)是量子密钥分发技术的两种主要实现方式，都取得了一些显著的成果。
[0003]离散变量量子密钥分发技术起步较早，具有安全传输距离较长的特点，但离散变量量子密钥分发技术采用单光子作为载体传递信息，单光子源的制备比较困难，现在的实验室均采用平均光子数为0.1/pulse的脉冲光来充当单光子源，由于其并不是真正的单光子，使得系统的安全性降低；此外单光子检测器的造价太高，只适于实验实现，不能大规模的商业化制造使用。
[0004]连续变量量子密钥分发技术相比于离散变量量子密钥分发技术具有以下优势：1、连续变量量子密钥分发技术在实验时可以使用弱相干光作信息载体，无需制备单光子源，也无需造价成本高的单光子探测器，使用平衡零差探测器或外差探测器即可；2、连续变量量子密钥分发技术可以采用如正交振幅调制等经典光通信中的调制方案，实验复杂性简化；3、连续变量量子密钥分发技术具有更高的密钥率，因此连续变量量子密钥分发技术具有更好的应用前景。
[0005]在连续变量量子密钥分发中有两种主要的态，即高斯态和离散态，使用高斯态虽然可以达到较高的密钥率，但事实上高斯相干态在实际应用中很难完全实现；与高斯态相比，离散态具有以下优点：1、离散态以小星座为特征，极大地简化了误差校正过程；2、离散态能够简化状态准备过程；3、使用离散态可以在低信噪比的情况下实现高的协商效率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统，该系统通过电光相位调制器生成一维离散态的连续变量，在接收端使用零差检测器获得相位分量检测结果，该系统的实现成本较低，连续变量离散态的制备过程简单，对其进行纠错协商时效率较高。
[0007]本专利技术的目的还在于提供一种基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统的实现方法，该方法极大地简化了量子态的制备过程和误差校正过程，提高了量子密钥分发系统在低信噪比时的协商效率，推进了连续变量量子密钥的实用化。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是，基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统，包括发送端、传输信道和接收端；
[0009]所述发送端包括：
[0010]脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；
[0011]分束器1，用于将脉冲相干光分离为1％信号光和99％本振光，将本振光通过延迟光纤发送至偏振耦合器1，将信号光发送至电光相位调制器1；
[0012]经典计算机PC1，用于生成均匀随机数信号，将随机数信号发送至电光相位调制器1控制其对信号光进行一维离散调制；
[0013]可调衰减器，将经一维离散调制的信号光衰减到量子水平，并发送至偏振耦合器1；
[0014]偏振耦合器1，用于将量子水平的信号光和本振光耦合成量子信号；
[0015]所述传输信道包括量子信道和经典信道，所述偏振耦合器1将量子信号经量子信道传输至接收端，所述经典计算机PC1通过经典信道与接收端连接。
[0016]进一步的，所述接收端包括：
[0017]偏振控制器，用于接收所述偏振耦合器1发送的量子信号，并对量子信号进行偏振补偿后发送至分束器2；
[0018]分束器2，用于将量子信号分成1％信号光和99％本振光，并将本振光输入电光相位调制器2，将信号光经延迟光纤输入偏振耦合器2；
[0019]电光相位调制器2，用于对本振光进行相位调制，使本振光与信号光的相位差为0或π/2；
[0020]偏振耦合器2，对相位调制后的本振光和信号光进行干涉，并将干涉结果输入零差检测器；
[0021]零差探测器，用于对干涉结果进行零差检测，得到相位分量检测结果；
[0022]经典计算机PC2，用于控制电光相位调制器2进行相位调制，并采集零差检测结果，通过经典信道与经典计算机PC1进行协商获得量子密钥。
[0023]进一步的，所述脉冲激光器采用Thorlabs OPG1015皮秒光脉冲发生器，所述分束器1采用端口类型为1
×
2的分束器，所述电光相位调制器1的型号为MPZ
‑
LN
‑
10，所述可调衰减器采用型号为VOA780PM
‑
FC的保偏可调激光衰减器，所述偏振耦合器1的型号为Thorlabs PBC980PM
‑
FC。
[0024]进一步的，所述分束器2采用端口类型为1
×
2的分束器，所述电光相位调制器2的型号为MPZ
‑
LN
‑
10，所述偏振耦合器2的型号为Thorlabs PBC980PM
‑
FC。
[0025]基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统的实现方法，包括以下步骤：
[0026]S1，使用分束器1将脉冲激光器产生的脉冲相干光分离成本振光和信号光，并将信号光输送至电光相位调制器1，经典计算机PC1生成随机数信号，并将随机数信号输入电光相位调制器1控制其对信号光进行一维离散调制，所述一维离散调制过程如下：
[0027]S11，经典计算机PC1内含的FPGA信号生成卡生成均匀随机数集合{0,1,2,
…
,N
‑
1}，并将随机数集合发送至电光相位控制器1；
[0028]S12，电光相位控制器1以相同的概率从集合{0,1,2,
…
,N
‑
1}中随机抽取数字k，对信号光进行调制得到离散量子态|α
k
>＝|Ae
i(2k+1)π/N
>，N类离散量子态组成集合S
N
，S
N
＝{|Ae
iπ/N
>,
…
,|Ae
(2k+1)iπ/N
>,
…
,|Ae
(2N
‑
1)iπ/N
>}，其中i为虚数，A为幅值；
[0029]S2，电光相位调制器1将S
N
输入可调衰减器，衰减至量子水平后输入偏振耦合器1，偏振耦合器1将其与本振光耦合成量子信号，经过量子信道输送至偏振控制器；
[0030]S3，偏振控制器对量子信号进行偏振补偿，而后入射至分束器2分离成1％信号光
和99％本振光，本振光经电光相位调制器2进行相位调制，然后输入偏振耦合器2与信号光干涉，将干涉光发送至零差检测器进行相位分量检测；
[0031]S4，经典计算机PC2采集相位分量检测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括发送端、传输信道和接收端；所述发送端包括：脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；分束器1，用于将脉冲相干光分离为1％信号光和99％本振光，将本振光通过延迟光纤发送至偏振耦合器1，将信号光发送至电光相位调制器1；经典计算机PC1，用于生成均匀随机数信号，将随机数信号发送至电光相位调制器1控制其对信号光进行一维离散调制；可调衰减器，将经一维离散调制的信号光衰减到量子水平，并发送至偏振耦合器1；偏振耦合器1，用于将量子水平的信号光和本振光耦合成量子信号；所述传输信道包括量子信道和经典信道，所述偏振耦合器1将量子信号经量子信道传输至接收端，所述经典计算机PC1通过经典信道与接收端连接。2.根据权利要求1所述的基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述接收端包括：偏振控制器，用于接收所述偏振耦合器1发送的量子信号，并对量子信号进行偏振补偿后发送至分束器2；分束器2，用于将量子信号分成1％信号光和99％本振光，并将本振光输入电光相位调制器2，将信号光经延迟光纤输入偏振耦合器2；电光相位调制器2，用于对本振光进行相位调制，使本振光与信号光的相位差为0或π/2；偏振耦合器2，对相位调制后的本振光和信号光进行干涉，并将干涉结果输入零差检测器；零差探测器，用于对干涉结果进行零差检测，得到相位分量检测结果；经典计算机PC2，用于控制电光相位调制器2进行相位调制，并采集零差检测结果，通过经典信道与经典计算机PC1进行协商获得量子密钥。3.根据权利要求1所述的基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述脉冲激光器采用Thorlabs OPG1015皮秒光脉冲发生器，所述分束器1采用端口类型为1
×
2的分束器，所述电光相位调制器1的型号为MPZ
‑
LN
‑
10，所述可调衰减器采用型号为VOA780PM
‑
FC的保偏可调激光衰减器，所述偏振耦合器1的型号为Thorlabs PBC980PM
‑
FC。4.根据权利要求2所述的基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述分束器2采用端口类型为1
×
2的分束器，所述电光相位调制器2的型号为MPZ
‑
LN
‑
10，所述偏振耦合器2的型号为Thorlabs PBC980PM
‑
FC。5.使用如权利要求1～4任一项所述基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，使用分束器1将脉冲激光器产生的脉冲相干光分离成本振光和信号光，并将信号光输送至电光相位调制器1，经典计算机PC1生成随机数信号，并将随机数信号输入电光相位调制器1控制其对信号光进行一维离散调制，所述一维离散调制过程如下：S11，经典计算机PC1内含的FPGA信号生成卡生成均匀随机数集合{0,1,2,
…
,N
‑
1}，并将随机数集合发送至电光相位控制器1；
S12，电光相位控制器1以相同的概率从集合{0,1,2,
…
,N
‑
1}中随机抽取数字k，对信号光进行调制得到离散量子态|α
k
>＝|Ae
i(2k+1)π/N
>，N类离散量子态组成集合S
N
，S
N
＝{|Ae
iπ/N
>,
…
,|Ae
(2k+1)iπ/N
>,
…
,|Ae
(2N
‑
1)iπ/N
>}，其中i为虚数，A为幅值；S2，电光相位调制器1将S
N
输入可调衰减器，衰减至量子水平后输入偏振耦合器1，偏振耦合器1将其与本振光耦合成量子信号，经过量子信道输送至偏振控制器；S3，偏振控制器对量子信号进行偏振补偿，而后入射至分束器2分离成1％信号光和99％本振光，本振光经电光相位调制器2进行相位调制，然后输入偏振耦合器2与...

【专利技术属性】
技术研发人员：张航，阮新朝，赵微，程泽群，吴琼，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：