基于热态源的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了一种基于热态源的连续变量量子密钥分发方法及系统，包括：Alice端将ASE热态源经过光放大器放大后通过窄带光滤波器，光分束器将处理后的ASE热态源分为两路，一路处理后发送给接收方Bob端，另一路输入Alice端光混合器；Alice端将相干光源经过衰减器得到处理后的相干光源，光分束器将处理后的相干光源分为两路，一路处理后发送给Bob，另一路输入Alice端光混合器；Alice端光混合器进行量子平衡零差检测，获取初始密钥数据K1；Bob端将接收到的Alice发送来的本振信号和热态信号分别通过偏振控制后输入光混合器进行量子平衡零差检测，获取初始密钥数据K2；Bob端对获得的初始连续密钥数据进行处理，最终获取安全二进制比特密钥。

【技术实现步骤摘要】
基于热态源的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
，具体地，涉及一种基于热态源的连续变量量子密钥分发方法及系统。
技术介绍
连续变量量子密钥分发(CVQKD)可以让分隔两地的通信双方，Alice和Bob，通过量子信道和经过认证的经典信道获得密钥。和DVQKD(离散变量量子密钥分发)不一样，在CVQKD协议中，Alice利用高斯调制将信息调制在光场的正则分量上，Bob可利用高效率的量子平衡零差或外差检测器提取密钥信息。现有的安全性理论已经彻底证明，高斯调制相干态CVQKD协议无论是在分发密钥渐近极限还是考虑有限密钥长度的条件下，CVQKD能抵抗任意集体攻击和相干攻击。由于CVQKD技术不需要单光子信源和单光子检测器，且连续调制具有更大信道容量，其与传统光信号也具有较好的融合性等原因，目前收到了学术界和产业界的广泛关注。目前已经有基于高斯调制相干态CVQKD协议的商用化产品出售。然而目前所有的连续变量量子密钥分发系统的实现方式都是利用幅度及相位调制器将量子随机数生成的随机密钥信息调制编码到弱相干光上，如高斯调制即利用幅度及相位调制器将高斯分布的量子随机数调制到弱相干光的正则分量上，并通过光纤或者自由空间信道发送给接收方。同样，离散调制CVQKD系统则是通过幅度及相位调制器实现有限个量子态的调制，并发送给接收方进行解调检测。这种方式一方面需要用到量子随机数发生器，并利用有源的幅度及相位调制器实现对光信号的线性调制。然后实际器件及运行状态往往存在非线性效应，导致产生的初始密钥信息无法线性地调制在光场分量上，导致系统实现复杂化。为了解决上述问题，我们提出了一种基于热态光源的连续变量量子密钥分发整体实现方法，可以利用热光的天然涨落来匹配相干光高斯调制以后的光场，可实现基于高斯调制的连续变量量子密钥分发，而只是增加了部分制备噪声，这些制备噪声可通过控制热态光源的平均光子数及衰减系数来控制。通过引入无特殊帧调制的位帧同步算法、高效率协商算法、高带宽量子平衡外差检测器、高速数据采集以及基于数据处理的相位补偿算法，可实现无需量子随机数及强度与相位调制的CVQKD。值得注意的是：这里引入的无特殊帧调制的位帧同步算法、高效率协商算法、高带宽量子平衡外差检测器、高速数据采集以及基于数据处理的相位补偿算法并不是简单的叠加，而是基于热态光源实现可安全成码的CVQKD系统的综合考虑和技术瓶颈的突破。国际上至今都没有报道实际传输信道下可安全成码的基于热态光源的CVQKD实验系统，其基本瓶颈在两个方面，一个是在初始密钥分发完成后无有效的位帧同步方法实现高效的数据对准。这是因为现有的CVQKD位帧同步方法都基于特殊帧调制与识别，而热态CVQKD方法仅可实现被动测量，无法实现特殊帧数据的调制；另一个是初始密钥分发过程中无法有效地控制CVQKD过噪声，包括热态源CVQKD的制备噪声，以及系统传输过程中偏振及相位漂移引入的过噪声，导致系统无法在传输距离下获取安全密钥。总之，为实现基于热态光源的CVQKD不是简单的模块叠加，不仅需要考虑在实际传输信道下的对随机初始密钥数据的高成功率的位帧同步，而且还需要对初始密钥分发阶段对过噪声进行抑制。我们引入无特殊帧调制的位帧同步方法可实现任一连续分布随机数据的同步，而且通过光放大ASE，并通过DWDM窄带滤波的方法可实现高强度的热光态信号制备从而抑制制备噪声，而通过邻近数据位的公布可实现基于数据处理的相位补偿，并结合偏振补偿从而抑制CVQKD系统信道抖动引入的过噪声，从而最终可实现标准单模光纤下城域范围内连续变量量子密钥分发。专利文献CN109510701A(申请号：201710843689.8)公开了一种连续变量量子密钥分发(CV-QKD)设备及方法，该设备包括：光源，调制单元，第一随机数发生器和处理器；其中，处理器用于根据预设的调制格式符号数，每个符号的分布概率和由第一随机数发生器产生的第一随机数序列，得到第一数据序列；根据该第一数据序列，得到第二数据序列；调制单元用于根据第一数据序列，对光源发出的信号进行调制，输出第二光信号，该第二光信号无需包括现有高斯协议要求的28×28量级的量子态个数，实现难度低。另外，本申请还提出了与该设备等价的EB模型，实现了严格的安全性证明。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于热态源的连续变量量子密钥分发方法及系统。根据本专利技术提供的一种基于热态源的连续变量量子密钥分发方法，包括：步骤S1：Alice端将ASE热态源经过光放大器放大后通过窄带光滤波器，得到处理后的ASE热态源，光分束器将处理后的ASE热态源分为两路，一路经过光衰减器后通过单模光纤信道发送给接收方Bob端，另一路输入Alice端光混合器；步骤S2：Alice端将相干光源经过衰减器得到处理后的相干光源，光分束器将处理后的相干光源分为两路，一路相干光信号作为接收端本振光经过单模光纤信道发送给Bob，另一路输入Alice端光混合器；步骤S3：Alice端光混合器进行量子平衡零差检测，获取热态的正则分量X和P，作为初始密钥数据K1；步骤S4：Bob端将接收到的Alice发送来的本振信号和热态信号分别通过偏振控制后输入光混合器进行量子平衡零差检测，获取接收到热态的正则分量X和P作为初始密钥数据K2；步骤S5：基于Alice端获取的初始连续密钥数据，Bob端对获得的初始连续密钥数据进行位帧同步、相位补偿、参数评估、纠错及保密增强，最终获取安全二进制比特密钥。优选地，所述步骤S1包括：Alice端通过调整ASE光源、光放大器以及光衰减器进行平均光子数控制，使得经过光分束器及衰减器的热态光信号平均光子满足n＝0.5mn0,其中，m表示光衰减器衰减因子，n0表示热态光信号经带通滤波器后的平均光子数。优选地，所述步骤S4中热态正则分量包括：热态的正则分量服从均值为零，方差为VA＝mn0的高斯分布，其中VA的取值范围满足预设值。优选地，所述步骤S5包括：步骤S5.1：Bob端和Alice端进行初始连续密钥数据的无特殊调制帧的位帧同步，并进行基于数据处理的相位补偿；步骤S5.2：Alice端和Bob端公布部分初始密钥数据进行参数评估，得到信号过噪声、调制方差以及信道透过率参数；步骤S5.3：Bob端通过基于LDPC编码的高效率多维协商算法对相位补偿后的初始连续密钥数据进行纠错，输出一致的二进制共享密钥串；步骤S5.4：Bob端通过信道参数计算Holevo限及合法通信方的互信息量，得到信息压缩率，最后通过保密增强输出最终密钥。优选地，还包括：在Alice端与Bob端的光路中设置隔离器及光检测器PD以监控热态光源及本振光光强。根据本专利技术提供的一种基于热态源的连续变量量子密钥分发系统，包括：模块M1：Alice端将ASE热态源经过光放大器放大后通过窄带光滤波器，得到处理后的ASE热态源，光分束器将处理后的ASE热态源分为两路，一路经过光衰减器后通过单模光纤信道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热态源的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，包括：/n步骤S1：Alice端将ASE热态源经过光放大器放大后通过窄带光滤波器，得到处理后的ASE热态源，光分束器将处理后的ASE热态源分为两路，一路经过光衰减器后通过单模光纤信道发送给接收方Bob端，另一路输入Alice端光混合器；/n步骤S2：Alice端将相干光源经过衰减器得到处理后的相干光源，光分束器将处理后的相干光源分为两路，一路相干光信号作为接收端本振光经过单模光纤信道发送给Bob，另一路输入Alice端光混合器；/n步骤S3：Alice端光混合器进行量子平衡零差检测，获取热态的正则分量X和P，作为初始密钥数据K1；/n步骤S4：Bob端将接收到的Alice发送来的本振信号和热态信号分别通过偏振控制后输入光混合器进行量子平衡零差检测，获取接收到热态的正则分量X和P作为初始密钥数据K2；/n步骤S5：基于Alice端获取的初始连续密钥数据，Bob端对获得的初始连续密钥数据进行位帧同步、相位补偿、参数评估、纠错及保密增强，最终获取安全二进制比特密钥。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于热态源的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，包括：
步骤S1：Alice端将ASE热态源经过光放大器放大后通过窄带光滤波器，得到处理后的ASE热态源，光分束器将处理后的ASE热态源分为两路，一路经过光衰减器后通过单模光纤信道发送给接收方Bob端，另一路输入Alice端光混合器；
步骤S2：Alice端将相干光源经过衰减器得到处理后的相干光源，光分束器将处理后的相干光源分为两路，一路相干光信号作为接收端本振光经过单模光纤信道发送给Bob，另一路输入Alice端光混合器；
步骤S3：Alice端光混合器进行量子平衡零差检测，获取热态的正则分量X和P，作为初始密钥数据K1；
步骤S4：Bob端将接收到的Alice发送来的本振信号和热态信号分别通过偏振控制后输入光混合器进行量子平衡零差检测，获取接收到热态的正则分量X和P作为初始密钥数据K2；
步骤S5：基于Alice端获取的初始连续密钥数据，Bob端对获得的初始连续密钥数据进行位帧同步、相位补偿、参数评估、纠错及保密增强，最终获取安全二进制比特密钥。


2.根据权利要求1所述的基于热态源的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S1包括：Alice端通过调整ASE光源、光放大器以及光衰减器进行平均光子数控制，使得经过光分束器及衰减器的热态光信号平均光子满足n＝0.5mn0,其中，m表示光衰减器衰减因子，n0表示热态光信号经带通滤波器后的平均光子数。


3.根据权利要求1所述的基于热态源的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S4中热态正则分量包括：热态的正则分量服从均值为零，方差为VA＝mn0的高斯分布，其中VA的取值范围满足预设值。


4.根据权利要求1所述的基于热态源的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
步骤S5.1：Bob端和Alice端进行初始连续密钥数据的无特殊调制帧的位帧同步，并进行基于数据处理的相位补偿；
步骤S5.2：Alice端和Bob端公布部分初始密钥数据进行参数评估，得到信号过噪声、调制方差以及信道透过率参数；
步骤S5.3：Bob端通过基于LDPC编码的高效率多维协商算法对相位补偿后的初始连续密钥数据进行纠错，输出一致的二进制共享密钥串；
步骤S5.4：Bob端通过信道参数计算Holevo限及合法通信方的互信息量，得到信息压缩率，最后通过保密增强输出最终密钥。


5.根据权利要求1所述的基于热态源的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，还包括：在Alice端与Bob端的光路中设置隔离器及光检测器PD以监控热态光源及本振光光强。

【专利技术属性】
技术研发人员：黄鹏，王涛，周颖明，曾贵华，
申请(专利权)人：上海循态信息科技有限公司，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31