基于光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统及方法技术方案

本发明专利技术提供基于光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统，包括：发送端，所述发送端使用光孤子源作为光源，并将其分离至各个波长通道；每个波长通道运用先导辅助的前馈数据恢复方案进行连续变量量子密钥分发；光纤信道，所述光纤信道传输所述发送端发出的光信号；接收端，所述接收端接收所述经光纤信道传输的光信号，并将其分离至各个波长通道；所述接收端使用本地光孤子源作为光源，并将其分离至所述各波长通道进行信号外差探测并进行后处理，获取量子密钥。本发明专利技术采用的光孤子源除了与分立激光器相比具有基本的技术优势外，频率梳还可以减少发送端的功率消耗。光孤子源的整体功耗已经可以与大规模平行阵列的商用集成可调谐激光器组件竞争。激光器组件竞争。激光器组件竞争。

【技术实现步骤摘要】
基于光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统及方法


[0001]本专利技术涉及连续变量量子密钥分发系统，具体地，涉及一种基于光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统及方法。

技术介绍

[0002]使用弱相干态和零差检测的连续变量量子密钥分发(CV
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QKD)由于其与现有电信设备的兼容性和高检测效率，是量子密钥分发的一个有希望的候选方案。量子密钥分发(QKD)是一种基于传输非正交量子态的方法，在两个相距遥远的当事人，即Alice和Bob之间产生一个秘密密钥。在传输和测量这些量子态后，Alice和Bob交换经典信息，并进行后处理以生成安全密钥。为了防止中间人攻击，Alice和Bob需要事先验证这些经典信息(所以严格来说QKD是一个密钥生成协议)。一个著名的CV
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QKD协议是高斯调制相干态(GMCS)协议，CV
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QKD使用的相干态相对于压缩态协议的优势主要在于避免了技术上具有挑战性的压缩光的产生(Advanced Quantum Technologies,2018,1(1):1800011)，同时它对非相干背景噪声具有鲁棒性。
[0003]在GMCS QKD中，Alice从一组高斯随机数(平均值为0，方差为VAN0)中抽取两个随机数XA和PA，相应地制备一个相干态，并将其发送给Bob。这里，N0＝1/4表示散粒噪声方差。在Bob端，他可以进行光零差探测或光外差探测。在基于零差检测的GMCS QKD协议中，Bob随机选择测量传入信号的振幅(X)或相位(P)。之后，他通过一个认证的公共信道宣布他对每个传入信号测量的正交度，而Alice只保留相应的数据。在基于外差检测的GMCS QKD中，Bob首先用一个50:50的分束器将传入的信号分成两个。然后他在一个输出端口测量X，在另一个端口测量P。在这种情况下，Al ice保留她所有的正交数据。在量子传输阶段之后，Alice分享一组相关的高斯随机变量(称为
″
原始密钥
″
)与Bob分享。Alice和Bob通过一个认证的经典信道比较原始密钥的随机样本，以估计量子信道的传输率和过剩噪声。如果观察到的过剩噪声足够小，他们可以进一步算出一个安全的密钥。但是为了减少相位噪声，GMCS CV
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QKD信号和本振光(LO)都由同一激光器产生，并通过不安全的量子通道传播。这增加了系统不安全性和复杂度，并且通过有损信道发送强LO会大大降低QKD的效率。目前对CV
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QKD已经有了先导辅助的前馈数据恢复方案，该方法不需要在量子信号和本地振荡器激光之间进行频率和相位锁定(Physical Review X,2015,5(4):041009)。
[0004]光孤子是在传播过程中保持其形状的波形，是色散和非线性平衡的结果，其频谱成梳状。通过使用相干频率梳的连续载波作为通信的载体，孤子可以在光通信中作为大规模平行波分复用的一个关键元素，提供更好的可扩展性，以提高数据传输率。耗散克尔孤子(DKS)(依靠参数增益和腔体损耗以及色散和非线性的双重平衡的孤子)通过克尔非线性介导的四光子相互作用，可生成低噪声、光谱平滑、宽带的光频率梳(Science,2016,351(6271):357
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360)。孤子为大规模并行波分复用提供数十甚至数百个定义明确的窄带光载波；与从激光阵列模块中得到的载波不同，梳子的频率在本质上是等距的，从而消除了对单个波长控制和信道间保护带的需要。此外，当来自同一光孤子时，光载波的随机频率变化是
强烈相关的，允许有效地补偿由传输光纤的非线性引起的损害。为了在光通信中的应用，频率梳状源必须是紧凑的；基于微谐振器的DKS频率梳源具有良好的可扩展性，用于发射器和接收器的大规模并行通信，有可能取代目前用于高速通信的连续激光器阵列(Nature,2017,546(7657):274
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279)。
[0005]然而，连续变量量子密钥分发还没有利用光孤子上述优良特性，连续变量量子密钥分发系统大规模组网能力有待进一步拓展。

技术实现思路

[0006]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光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统和方法。
[0007]根据本专利技术的一个方面，提供一种基于光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统，包括：
[0008]发送端，所述发送端使用光孤子源作为光源，并将其分离至各个波长通道；每个波长通道运用先导辅助的前馈数据恢复方案进行连续变量量子密钥分发；
[0009]光纤信道，所述光纤信道传输所述发送端发出的光信号；
[0010]接收端，所述接收端接收所述经光纤信道传输的信号，并将其分离至各个波长通道；所述接收端使用本地光孤子源作为光源，并将其分离至所述各波长通道进行信号外差探测并进行后处理，获取量子密钥。
[0011]优选地，所述发送端，包括：
[0012]第一解复用器，所述第一解复用器分离处于不同波长通道的光孤子梳状光谱，每个波长通道对应于接收端(Bob)的一个用户；
[0013]强度调制器，所述强度调制器连接于每个波长通道；
[0014]相位调制器，所述相位调制器连接于每个波长通道，并位于所述强度调制器之后；
[0015]任意波形发生器，所述任意波形发生器分别与所述强度调制器和相位调制器连接；
[0016]卫星驯服时钟，所述卫星驯服时钟与所述任意波形发生器连接；每个波长通道的光信号由强度调制器和相位调制器进行调制，调制信号来自任意波形发生器，任意波形发生器的频率标准由卫星驯服时钟提供。
[0017]复用器，所述复用器将每个波长通道的光信号复用至所述光纤信道。
[0018]优选地，所述先导辅助的前馈数据恢复方案，包括：发送端(Alice)交替发出一个量子信号和一个由光孤子同一频率成分产生的相位参考脉冲；
[0019]所述量子信号携带Alice的随机数，相位参考脉冲未经调制；
[0020]所述每个波长通道的量子信号和相位参考脉冲经过所述复用器复用至一根所述光纤信道中，由光纤信道传输到接收端。
[0021]优选地，所述接收端，包括：
[0022]第二解复用器，所述第二解复用器将通过所述光纤信道传输的光信号分离各波长通道，
[0023]第三解复用器，所述第三解复用器将本地光孤子源的各波长通道解复用后获得对应的本振光，与所述各波长通道的光信号进行外差探测。
[0024]优选地，所述接收端，还包括：
[0025]偏振控制器，所述偏振控制器连接于发送端的光信号的每个波长通道；
[0026]90
°
光学混合器，所述90
°
光学混合器并联于发送端的光信号和本地光孤子源的波长通道处；
[0027]平衡光探测器，所述平衡光探测器连接于所述90
°
光学混合器之后，
[0028]示波器，所述示波器与所述平衡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括：发送端，所述发送端使用光孤子源作为光源，并将光孤子分离至各个波长通道；每个所述波长通道运用先导辅助的前馈数据恢复方案进行连续变量量子密钥分发；光纤信道，所述光纤信道传输所述发送端发出的光信号；接收端，所述接收端接收所述经光纤信道传输的光信号，并将其分离至各个波长通道；所述接收端使用本地光孤子源作为光源，并将其分离至所述各波长通道进行信号外差探测并进行后处理，获取量子密钥。2.根据权利要求1所述的基于光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端，包括：第一解复用器，所述第一解复用器分离处于不同波长通道的光孤子梳状光谱，每个波长通道对应于接收端(Bob)的一个用户；强度调制器，所述强度调制器连接于每个波长通道；相位调制器，所述相位调制器连接于每个波长通道，并位于所述强度调制器之后；任意波形发生器，所述任意波形发生器分别与所述强度调制器和相位调制器连接；卫星驯服时钟，所述卫星驯服时钟与所述任意波形发生器连接；每个波长通道的光信号由强度调制器和相位调制器进行调制，调制信号来自任意波形发生器，任意波形发生器的频率标准由卫星驯服时钟提供。复用器，所述复用器将每个波长通道的光信号复用至所述光纤信道。3.根据权利要求2所述的基于光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述先导辅助的前馈数据恢复方案，包括：发送端(Alice)交替发出一个量子信号和一个由光孤子同一频率成分产生的相位参考脉冲；所述量子信号携带Alice的随机数，相位参考脉冲未经调制；所述每个波长通道的量子信号和相位参考脉冲经过所述复用器复用至一根所述光纤信道中，由光纤信道传输到接收端。4.根据权利要求1所述的基于光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述接收端，包括：第二解复用器，所述第二解复用器将通过所述光纤信道传输的光信号分离各波长通道，第三解复用器，所述第三解复用器将本地光孤子源的各波长通道解复用后获得对应的本振光，与所述各波长通道的光信号进行外差探测。5.根据权利要求4所述的基于光孤子的波分复用连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述接收端，还包括：偏振控制器，所述偏振控制器连接于发送端的光信号的每个波长通道；90
°
光学混合器，所述90
°
光学混合器并联于发送端的光信号和本地光孤子源的波长通道处；平衡光探测器，所述平衡光探测器连接于所...

【专利技术属性】
技术研发人员：息朝祥，何广强，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：