一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统。本发明专利技术采用四态调制，但不要求信号光和本振光之间的相位严格满足0、

【技术实现步骤摘要】
一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统
本专利技术涉及量子密钥分发
，尤其涉及一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统。
技术介绍
量子密钥分发是量子信息领域中最成熟的一个方向，相较于传统密码学依赖于算法计算复杂度的编码方式，量子密钥分发技术所具备的无条件安全优势由其量子力学特性所保证，因此具有广泛的应用前景。进一步来说，量子密钥分发主要可划分为离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发，前者以BB84协议为典型案例，将信息编码在单光子的自由度上，故一次只可携带一比特量子信息，且单光子信号与信道噪声难以分辨将导致成码率的降低，同时单光子脉冲的制备也较为复杂；连续变量量子密钥分发则是利用电磁场(也即光场)的一对正交算符进行编码，一次可以携带超过一比特的信息，并且通过现有的经典光通信设备就可以完成制备并进行检测。目前，连续变量量子密钥分发协议中应用较广泛的是采用高斯调制相干态的连续变量量子密钥分发协议，但该协议的信号调制过程和密钥提取过程的复杂度较高，且在较远距离的通信中信息传输效率将下降，限制了密钥的传输距离。在文献“AsymptoticSecurityAnalysisofDiscrete-ModulatedContinuous-Variable”中，提供了一种四态调制的连续变量量子密钥分发方法。然而，该方法所描述的四态调制要求信号光和本振光之间的相位严格满足0、π、的角度，这将增加实际制备过程中操作的复杂度；同时，该方法的成码率估计采用凸优化算法数值模拟的方法，该方法计算过程将耗费较长的时间，在实用的过程中将导致效率的降低，仍有待优化的空间。除此之外，在量子密钥分发的
中，信号光及本振光多采用都由发送端发送和制备的方案，本振光在不安全的量子信道中传输时难以避免地会受到窃听以及攻击，降低了系统的安全性。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一套本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统。本专利技术采用四态调制，但不要求信号光和本振光之间的相位严格满足0、π、的角度，而是允许在成码的一段时间内存在一个额外的固定相位差并通过拟牛顿算法给出无条件安全的成码率估计。此外，本系统经由接收端来发送本振光可使本振光避免经历量子信道从而避免遭受额外的攻击，以获得更高的安全性。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提出的技术方案如下：一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法，该方法采用四态协议并采用相位编码，所述方法包括以下步骤：(1)发送端等概率且随机地制备并发送只在相位上有所区别的四种信号光以对应四种信号态，并采用相位编码方式将所发送的信号光编码为发送端原始密钥，所述四种信号光满足以下条件：以任意一种信号光为基准信号光，其余三种信号光与基准信号光之间的相位差分别为90°、180°、270°；(2)接收端接收信号光后进行偏振补偿，然后将补偿后的信号光分束为第一信号光和第二信号光；接收端制备本振光，本振光在一轮成码时间内与相应基准信号光保持固定相位差接收端将本振光分束为第一本振光和第二本振光，并在第一本振光中引入的相位增量，然后使第一本振光与第一信号光发生干涉，使第二本振光与第二信号光发生干涉，最后通过分别对两组干涉后的叠加光进行外差测量，得到一对光场正交分量，即正则动量p和正则坐标q；(3)接收端将测得的q和p分别作为实部和虚部形成一个复数，然后按照与发送端相同的编码方式将所述复数编码为接收端原始密钥；(4)在得到原始密钥后，通过拟牛顿算法进行数值模拟，给出无条件安全的成码率的估计；在无条件安全的成码率大于零的基础上，发送端和接收端随机选取部分密钥公布以进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终的安全密钥。进一步的，所述步骤(1)中，发送端将信号光编码为发送端原始密钥的方法包括以下步骤：记发送端发送的四种信号光的相位分别为然后将所述四个相位编码为四个经典比特x1至x4。进一步的，所述步骤(3)中，将所述复数编码为接收端原始密钥的具体步骤包括：将接收端将测得的q和p分别作为实部和虚部而形成的复数记为C＝q+ip＝reia，r和a分别为C的模和幅角，然后按照以下规则提取密钥：②且r≥ε，取x1；②且r≥ε，取x2；③且r≥ε，取x3；④且r≥ε，取x4；⑤a为其余结果，取⊥。另外，本专利技术还提出一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统，用于实现所述的方法，该系统包括发送端和接收端，具体来说：所述发送端包括：信号光发送模块、信号光强度调制模块和信号光相位调制模块；其中，信号光发送模块发送连续激光，信号光强度调制模块将连续激光制备为符合信号光条件的弱相干光脉冲，信号光相位调制模块将弱相干光脉冲制备为所述四种信号光；所述接收端包括：本振光制备模块、信号光偏振补偿模块以及探测模块；其中，本振光制备模块用于制备符合本振光条件的强经典光脉冲，信号光偏振补偿模块用于对接收到的信号光进行偏振补偿，探测模块用于将本振光分束为第一本振光和第二本振光，并在第一本振光中引入的相位增量，然后使第一本振光与第一信号光发生干涉，使第二本振光与第二信号光发生干涉，最后通过对两组干涉后的叠加光进行外差测量，得到正则动量p和正则坐标q。进一步的，所述发送端和接收端分别设置后处理模块，所述后处理模块用于控制本端各模块实现相应功能，以及与另一端的后处理模块进行成码率估计、经典纠错、错误验证和隐私放大，最后提取安全密钥。作为所述系统的一种实现方式，所述发送端包括依次级联的第一连续激光器、第一强度调制器和相位调制器；第一连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振稳定的连续激光；第一强度调制器将强度一定的连续激光进行斩波，得到原始信号光脉冲；相位调制器对原始信号光脉冲进行相位调制，制备出所述信号光；接收端包括动态偏振控制器、第一至第四分束器、第一至第四探测器、第一差分放大器、第二差分放大器、第二连续激光器和第二强度调制器，；其中，第二连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振稳定的连续激光；第二强度调制器对连续激光进行斩波，得到本振光脉冲；动态偏振控制器对信号光脉冲在光纤传输中产生的偏振漂移进行补偿；第一分束器将通过的信号光均等地分束为第一信号光和第二信号光，两束信号光各自进入第二分束器和第三分束器；第四分束器将通过的本振光脉冲均等地分束为第一本振光和第二本振光，并通过传输两束本振光脉冲的两根光纤之间的长度差，实现第一本振光相较于第二本征光存在的相位增量；第二分束器和第三分束器分别对接收的本振光和信号光进行干涉，并将叠加光分为两束；第一探测器和第二探测器分别对第二分束器分束出的两束叠加光进行零差测量，测量的结果通过第一差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，该电压值为光场的一对正交分量中正则坐标的测量结果；第三探测器和第四探测器分别对第三分束器分束出的叠加光进行零差测量，测量的结果通过第二差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，该电压值为光场的一对正交分量中正则动量的测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法，该方法采用四态协议并采用相位编码，其特征在于：所述方法包括以下步骤：/n(1)发送端等概率且随机地制备并发送只在相位上有所区别的四种信号光以对应四种信号态，并采用相位编码方式将所发送的信号光编码为发送端原始密钥，所述四种信号光满足以下条件：以任意一种信号光为基准信号光，其余三种信号光与基准信号光之间的相位差分别为90°、180°、270°；/n(2)接收端接收信号光后进行偏振补偿，然后将补偿后的信号光分束为第一信号光和第二信号光；接收端制备本振光，本振光在一轮成码时间内与相应基准信号光保持固定相位差

【技术特征摘要】
20201116 CN 202011278603X1.一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法，该方法采用四态协议并采用相位编码，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)发送端等概率且随机地制备并发送只在相位上有所区别的四种信号光以对应四种信号态，并采用相位编码方式将所发送的信号光编码为发送端原始密钥，所述四种信号光满足以下条件：以任意一种信号光为基准信号光，其余三种信号光与基准信号光之间的相位差分别为90°、180°、270°；
(2)接收端接收信号光后进行偏振补偿，然后将补偿后的信号光分束为第一信号光和第二信号光；接收端制备本振光，本振光在一轮成码时间内与相应基准信号光保持固定相位差接收端将本振光分束为第一本振光和第二本振光，并在第一本振光中引入的相位增量，然后使第一本振光与第一信号光发生干涉，使第二本振光与第二信号光发生干涉，最后通过分别对两组干涉后的叠加光进行外差测量，得到一对光场正交分量，即正则动量p和正则坐标q；
(3)接收端将测得的q和p分别作为实部和虚部形成一个复数，然后按照与发送端相同的编码方式将所述复数编码为接收端原始密钥；
(4)在得到原始密钥后，通过拟牛顿算法进行数值模拟，给出无条件安全的成码率的估计；在无条件安全的成码率大于零的基础上，发送端和接收端随机选取部分密钥公布以进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终的安全密钥。


2.根据权利要求1所述的一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法，其特征在于：所述步骤(1)中，发送端将信号光编码为发送端原始密钥的方法包括以下步骤：记发送端发送的四种信号光的相位分别为然后将所述四个相位编码为四个经典比特x1至x4。


3.根据权利要求2所述的一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将所述复数编码为接收端原始密钥的具体步骤包括：
将接收端将测得的q和p分别作为实部和虚部而形成的复数记为C＝q+ip＝reia，r和a分别为C的模和幅角，然后按照以下规则提取密钥：
①且r≥ε，取x1；
②且r≥ε，取x2；
③且r≥ε，取x3；
④且r≥ε，取x4；
⑤a为其余结果，取⊥。


4.一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统，用于实现权利要求1至3任意一项所述的方法，包括发送端和接收端，其特征在于：
所述发送端包括：信号光发送模块、信号光强度调制模块和信号光相位调制模块；其中，信号光发送模块发送连续激光，信号光强度调制模块将连续激光制备为符合信号光条件的弱相干光脉冲，信号光相位调制模块将弱相干光脉冲制备为所述四种信号光；
所述接收端包括：本振光制备模块、信号光偏振补偿模块以及探测模块；其中，本振光制备模块用于制备符合本振光条件的强经典光脉冲，信号光偏振补偿模块用于对接收到的信号光进行偏振补偿，探测模块用于将本振光分束为第一本振光和第二本振光，并在第一本振光中引入的相位增量，然后使第一本振光与第一信号光发生干涉，使第二本振光与第二信号光发生干涉，最后通过对两组干涉后的叠加光分别进行零差测量，得到正则动量p和正则坐标q。


5.根据权利要求4所述的一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端和接收端分别设置后处理模块，所述后处理模块用于控制本端各模块实现相应功能，以及与另一端的后处理模块进行成码率估计、经典纠错、错误验证和隐私放大，最后提取安全密钥。


6.根据权利要求5所述的一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统，其特征在于：
所述发送端包括依次级联的第一连续激光器、第一强度调制器和相位调制器；第一连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振稳定的连续激光；第一强度调制器将强度一定的连续激光进行斩波，得到原始信号光脉冲；相位调制器对原始信号光脉冲进行相位调制，制备出所述信号光；
接收端包括动态偏振控制器、第一至第四分束器、第一至第四探测器、第一差分放大器、第二差分放大器、第二连续激光器和第二强度调制器；其中，第二连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振稳定的连续激光；第二强度调制器对连续激光进行斩波，得到本振光脉冲；动态偏振控制器对信号光脉冲在光纤传输中产生的偏振漂移进行补偿；第一分束器将通过的信号光均等地分束为第一信号光和第二信号光，两束信号光各自进入第二分束器和第三分束器；第四分束器将通过的本振光脉冲均等地分束为第一本振光和第二本振光，并通过传输两束本振光脉冲的两根光纤之间的长度差，实现第一本振光相较于第二本征光存在的相位增量；第二分束器和第三分束器分别对接收的本振光和信号光进行干涉，并将叠加光分为两束；第一探测器和第二探测器分别对第二分束器分束出的两束叠加光进行零差测量，测量的结果通过第一差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，该...

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