一种连续变量四态量子密钥分发方法及系统技术方案

本发明专利技术提出一种连续变量四态量子密钥分发方法及系统，本发明专利技术在通信的接收端采用零差测量获得信号光的正则分量，结合适当的数据后处理，将公布的测量结果进行适当的组合配对，相对传统的接收端采用零差测量的方法，可以获得更高的码率；本发明专利技术所述系统采用脉冲激光模块作为光源，降低了仪器的复杂度；该系统所需要调制的四种相干态之间只有相位上的差异，在进行信号加载时无需额外对幅度进行调制，降低了实施难度。

【技术实现步骤摘要】
一种连续变量四态量子密钥分发方法及系统
本专利技术涉及量子密钥分发
，尤其涉及一种连续变量四态量子密钥分发方法及系统。
技术介绍
量子密钥分发技术(quantumkeydistribution，下称QKD)根据实现方式的不同，主要分为离散变量量子密钥分发(discretevariableQKD，下称DV-QKD)和连续变量量子密钥分发(continuousvariableQKD，下称CV-QKD)。DV-QKD将信息编码在单个光子的某个自由度上，探测时使用单光子探测器进行检测；CV-QKD将信息编码在光场的正则分量上，利用零差测量装置对发送的光信号进行检测。CV-QKD在具体实施时可以采用高斯调制的方式，这种调制方式调制相干态的正则分量使其呈高斯分布；除此之外，还有离散调制的方式，这种调制方式通常使相干态在相空间呈对称分布。对于连续变量离散调制的量子密钥分发而言，接收端在接收到信号之后需要对信号光光场的正则分量进行测量。测量的方式可以分为零差测量和外差测量两种，零差测量每一次可以通过给本振光施加相位测量正则动量分量p或者正则坐标分量q，一个信号光脉冲一次可以产生1比特信息；外差测量则通过分光的方法同时测量信号光光场的正则动量分量p和正则坐标分量q，一个信号光脉冲一次可以产生2比特信息。当前已经有采取高斯调制的方式实现CV-QKD的系统(CN105024809A)，该专利引入协商算法、低噪探测器以及补偿算法的手段实现了高斯调制的连续变量量子密钥分发，但是该专利存在下述缺陷：1.高斯调制要求在制备信号光时对光的正则分量进行连续的调制，实施起来难度很大；2.专利当中为了对光进行信号调制，采用了连续激光器和强度调制器，这样增加了系统的复杂度和实施难度。另外，在过噪声高的情况下，通常的离散调制量子密钥分发协议在接收端使用零差测量时只能得到很低的码率，这限制了它的传输距离，使得它的实用性大大下降。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术旨在针对现有技术的不足，提出一种实现连续变量四态调制CV-QKD的方法和系统。本专利技术在通信的接收端采用零差测量获得信号光的正则分量，结合适当的数据后处理，将公布的测量结果进行适当的组合配对，相对传统的接收端采用零差测量的方法，在过噪声大的情况下可以获得更高的码率并且提高通信距离；本专利技术所述系统采用脉冲激光模块作为光源，降低了仪器的复杂度；该系统所需要调制的四种相干态之间只有相位上的差异，在进行信号加载时无需额外对幅度进行调制，降低了实施难度。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提出的技术方案为：一种连续变量四态量子密钥分发方法，包括步骤：(1)发送端制备本振光，并按照概率分布[q1,q2,q3,q4]产生对应四个相干态{|s>,|-s>,|is>,|-is>}的信号光，然后将信号光与本振光发送到接收端；其中，q1＝q2，q3＝q4，q1+q2+q3+q4＝1，s为实数；(2)接收端通过相位调制随机且等概率地在本振光中引入0或π/2的相位增量，分别用以测量信号光的正则坐标分量或正则动量分量，然后，接收端进行零差测量，得到信号光的正则坐标或正则动量；(3)重复步骤(1)至(2)N次后，得到一轮成码所需的数据；(4)发送端和接收端通过认证的经典信道进行通信，接收端告知发送端自己在测量时对正则分量的选择，然后发送端根据接收端的选择将发送同一种信号态而接收端分别测量正则坐标和正则动量的情况看作同一组，通过经典信道仅告诉接收端哪两次测量可以看作同一组，但并不公布制备的相干态本身；(5)发送端对所发送的信号态进行密钥映射，得到发送端的初始密钥；接收端根据测量结果进行密钥映射，得到接收端的初始密钥；(6)发送端和接收端基于各自的初始密钥进行反向协商以及相关的纠错和隐私放大过程，得到最终的安全密钥。进一步的，在执行步骤(5)之前，还根据步骤(4)的测量结果采用数值模拟凸优化算法估计成码率，若成码率满足预设的安全性条件，则继续执行步骤(5)，否则，结束所述密钥分发。进一步的，所述采用数值模拟凸优化算法估计成码率的具体步骤包括：构建成码率计算公式为：其中，R表示密钥率，σ表示联合密度矩阵，S表示联合密度矩阵应该满足的条件，H(ρ||σ)是相互熵，表明遭到攻击后仍然不被攻击者知道的信息量，K作为映射建立起密度矩阵与经典比特之间的关联，P表示收缩量子信道的作用效果，Δ代表经典数据的比特纠错导致的比特损失，q表示保留一个脉冲作为最终生成密钥的几率；根据成码率的计算公式，利用凸优化算法寻找相互熵的下界：首先，从初始联合密度矩阵σ0开始，经过迭代寻找到一个接近最强攻击时的联合密度矩阵σ′，此时将迭代出的σ′代入下式，计算出成码率的下界：ε≥ξ(σ′)其中，ε表示当联合密度矩阵满足约束S时相互熵的最小值，是由测量密度矩阵得到的期望值组成的向量，是有待优化的参数，S*是应该满足的约束条件，上标T表示矩阵的转置，表示梯度算子，Tr表示对矩阵求迹，求得的ξ(σ′)即为相互熵的下界，将计算出的下界代入成码率的表达式中，计算得到成码率的下界。另外，本专利技术还提出一种连续变量四态量子密钥分发系统，用于实现所述方法，包括发送端和接收端，所述发送端包括制备模块，用于制备偏振方向上可区分的本振光和信号光；所述接收端包括：偏振控制模块、分束模块、相位调制模块和零差测量模块；其中，偏振控制模块用于调整量子信道中信号光与本振光的偏振状态，使得它们的偏振状态得到重新校准；分束模块用于将不同偏振方向的信号光与本振光分开；相位调制模块在本振光中随机且等概率地引入角度为0或π/2的相位增量；零差测量模块对信号光和经过相位调制后的本振光进行零差测量，得到正则坐标或正则动量。对于上述系统，以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合可选的，所述发送端和接收端分别设置控制模块，发送端和接收端的控制模块分别控制本端内部各模块实现相应功能，以及与通信的另一方进行反向协商以及相关的纠错和隐私放大步骤，以协商出最终的安全密钥。可选的，所述发送端包括：脉冲激光模块、分束模块、相位调制模块和合束模块；其中，脉冲激光模块用于产生激光脉冲；分束模块用于将激光脉冲分束为强度不同的第一激光脉冲和第二激光脉冲，第二激光脉冲作为本振光；相位调制模块对第一激光脉冲进行相位调制，以生成所述信号光；合束模块将信号光和本振光合束后通过量子信道传输到接收端。可选的，所述发送端包括：主激光器模块、第一从激光器模块、第二从激光器模块、第一光学传输模块、第二光学传输模块、分束模块、相位调制模块和合束模块；其中，主激光器模块用于产生种子光，并通过分束模块将种子光分束为第一种子光和第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续变量四态量子密钥分发方法，其特征在于，包括步骤：/n(1)发送端制备本振光，并按照概率分布[q1,q2,q3,q4]产生对应四个相干态{|s>,|-s>,|is>,|-is>}的信号光，然后将信号光与本振光发送到接收端；其中，q1＝q2，q3＝q4，q1+q2+q3+q4＝1，s为实数；/n(2)接收端通过相位调制随机且等概率地在本振光中引入0或π/2的相位增量，分别用以测量信号光的正则坐标分量或正则动量分量，然后，接收端进行零差测量，得到信号光的正则坐标或正则动量；/n(3)重复步骤(1)至(2)N次后，得到一轮成码所需的数据；/n(4)发送端和接收端通过认证的经典信道进行通信，接收端告知发送端自己在测量时对正则分量的选择，然后发送端根据接收端的选择将发送同一种信号态而接收端分别测量正则坐标和正则动量的情况看作同一组，通过经典信道仅告诉接收端哪两次测量可以看作同一组，但并不公布制备的相干态本身；/n(5)发送端对所发送的信号态进行密钥映射，得到发送端的初始密钥；接收端根据测量结果进行密钥映射，得到接收端的初始密钥；/n(6)发送端和接收端基于各自的初始密钥进行反向协商以及相关的纠错和隐私放大过程，得到最终的安全密钥。/n...

【技术特征摘要】
20201116 CN 20201127859781.一种连续变量四态量子密钥分发方法，其特征在于，包括步骤：
(1)发送端制备本振光，并按照概率分布[q1,q2,q3,q4]产生对应四个相干态{|s>,|-s>,|is>,|-is>}的信号光，然后将信号光与本振光发送到接收端；其中，q1＝q2，q3＝q4，q1+q2+q3+q4＝1，s为实数；
(2)接收端通过相位调制随机且等概率地在本振光中引入0或π/2的相位增量，分别用以测量信号光的正则坐标分量或正则动量分量，然后，接收端进行零差测量，得到信号光的正则坐标或正则动量；
(3)重复步骤(1)至(2)N次后，得到一轮成码所需的数据；
(4)发送端和接收端通过认证的经典信道进行通信，接收端告知发送端自己在测量时对正则分量的选择，然后发送端根据接收端的选择将发送同一种信号态而接收端分别测量正则坐标和正则动量的情况看作同一组，通过经典信道仅告诉接收端哪两次测量可以看作同一组，但并不公布制备的相干态本身；
(5)发送端对所发送的信号态进行密钥映射，得到发送端的初始密钥；接收端根据测量结果进行密钥映射，得到接收端的初始密钥；
(6)发送端和接收端基于各自的初始密钥进行反向协商以及相关的纠错和隐私放大过程，得到最终的安全密钥。


2.根据权利要求1所述的一种连续变量四态量子密钥分发方法，其特征在于，在执行步骤(5)之前，还根据步骤(4)的测量结果采用数值模拟凸优化算法估计成码率，若成码率满足预设的安全性条件，则继续执行步骤(5)，否则，结束所述密钥分发。


3.根据权利要求2所述的一种连续变量四态量子密钥分发方法，其特征在于，所述采用数值模拟凸优化算法估计成码率的具体步骤包括：
构建成码率计算公式为：



其中，R表示密钥率，σ表示联合密度矩阵，S表示联合密度矩阵应该满足的条件，H(ρ||σ)是相互熵，表明遭到攻击后仍然不被攻击者知道的信息量，K作为映射建立起密度矩阵与经典比特之间的关联，P表示收缩量子信道的作用效果，Δ代表经典数据的比特纠错导致的比特损失，q表示保留一个脉冲作为最终生成密钥的几率；
根据成码率的计算公式，利用凸优化算法寻找相互熵的下界：首先，从初始联合密度矩阵σ0开始，经过迭代寻找到一个接近最强攻击时的联合密度矩阵σ′，此时将迭代出的σ′代入下式，计算出成码率的下界：
ε≥ξ(σ′)






其中，ε表示当联合密度矩阵满足约束S时相互熵的最小值，是由测量密度矩阵得到的期望值组成的向量，是有待优化的参数，S*是应该满足的约束条件，上标T表示矩阵的转置，▽表示梯度算子，Tr表示对矩阵求迹，求得的ξ(σ′)即为相互熵的下界，将计算出的下界代入成码率的表达式中，计算得到成码率的下界。


4.一种连续变量四态量子密钥...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹华磊，李晨龙，陈增兵，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32