基于单SPD的QKD系统公共相位差估算方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单SPD的QKD系统公共相位差估算方法及系统，其中，通过由发送端生成包含特定多个强参考光脉冲的周期性信号，并在多个参考光脉冲上加载特定多种调制相位，同时在Charlie端利用单个SPD探测得到对应于参考光脉冲之间干涉信号的探测结果之后，利用特定的算法准确估算得出QKD系统中的公共相位差，由此可以在不增加或者改变任何硬件组成的情况下辅助具有单个SPD的TF类QKD系统的成码，使得基于单个SPD实现的TF类QKD的实用化和产品化进程得到进一步推动。品化进程得到进一步推动。品化进程得到进一步推动。

【技术实现步骤摘要】
基于单SPD的QKD系统公共相位差估算方法及系统


[0001]本专利技术涉及量子光学和量子信息领域，具体涉及一种基于单个单光子探测器(SPD)的双场(TF)类QKD系统中公共相位差的估算方法，以及基于此估算方法实现的具有单个SPD的TF类QKD系统。

技术介绍

[0002]由于量子计算机的发展，经典加密技术的安全性正面临巨大的威胁，而随着科技的发展，在军事、政务、金融等领域人们对信息安全问题越来越重视。QKD具有经典密码学无法比拟的优势，其能够提供理论上的无条件安全的密钥传输。
[0003]在过去的几十年里QKD领域取得了重大进展，超过400公里的光纤及超过1000公里星地链路的QKD实验，充分表明长距离点对点QKD的可行性。但与此同时，无中继QKD的密钥传输能力却存在一些基本的限制，即由英国约克大学和英国伦敦大学学院于2017年提出的PLOB界。PLOB界是无中继QKD的成码率上界，由于通道透过率较小时，成码率和通道透过率的关系是线性的，因此该上界也被称为无中继QKD的线性成码率上界。传统的协议如BB84协议和MDI
‑
QKD协议等其成码率均未超过PLOB界，而2018年以后相继提出的TF类QKD打破了PLOB界，TF类QKD在远距离实用化的QKD中具有非常大的潜力。到目前为止，TF类QKD协议大体上可以分为三种，分别为发送或不发送TF
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QKD方案、相位匹配QKD方案、免相位后选择的QKD方案。
[0004]在执行TF类QKD协议的现有技术中，Charlie(测量端)通常使用两个SPD进行测量以用于完成QKD系统的成码，而相关研究表明，通过单个SPD的测量也可以完成QKD系统的成码。然而，TF类QKD方案中的关键技术之一是对Alice(发送端)和Bob(发送端)光脉冲之间公共相位差的估计。在现有技术中，均需要使用两个SPD来完成这种公共相位差估计，即，在公共相位差估计阶段，Alice和Bob发送强参考光脉冲至Charlie进行干涉，并通过两个SPD的探测结果来得到Alice和Bob的公共相位差，如图1所示。而在利用单个SPD实现TF类QKD协议的系统中，对于系统中公共相位差的估计目前尚无相关研究报道。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术公开了一种基于单个SPD的TF类QKD系统中公共相位差的估算方法，以及由此实现的TF类QKD系统。其中，通过由发送端生成包含特定多个强参考光脉冲的周期性信号，并在多个参考光脉冲上加载特定多种调制相位，同时在Charlie端利用单个SPD探测得到对应于参考光脉冲之间干涉信号的探测结果之后，利用特定的算法准确估算得出QKD系统中的公共相位差由此可以在不增加或者改变任何硬件组成的情况下辅助具有单个SPD的TF类QKD系统的成码，使得基于单个SPD实现的TF类QKD的实用化和产品化进程得到进一步推动。
[0006]具体而言，本专利技术的第一方面涉及一种基于单个SPD的TF类QKD系统中公共相位差的估算方法，其包括周期信号生成步骤、相位调制步骤、干涉步骤和估算步骤；
[0007]在所述周期信号生成步骤中，在Alice端内生成第一周期性信号，在Bob端内生成第二周期性信号，所述第一周期性信号包括L个第一参考光脉冲，第二周期性信号包括L个第二参考光脉冲，L≥3；
[0008]在所述相位调制步骤中，在Alice端内对第一参考光脉冲进行相位调制，其中，所述L个第一参考光脉冲上具有M1种调制相位且调制相位在[0，2π)内；在Bob端内对第二参考光脉冲进行相位调制，其中，所述L个第二参考光脉冲上具有M2种调制相位M1*M2≥3，且调制相位在[0，2π)内；
[0009]在所述干涉步骤中，使第一周期性信号和第二周期性信号进入Charlie端并发生干涉以生成干涉信号，利用单个SPD对干涉信号进行探测并输出干涉结果；
[0010]在所述估算步骤中，利用所述第一参考光脉冲和第二参考光脉冲的干涉结果，估算公共相位差
[0011]进一步地，在所述估算步骤中，利用一个周期内的干涉结果估算公共相位差N
1l
/k≈(1+cosγ
ab
(l))/2，k为常数，为第l个第一参考光脉冲的调制相位，为第l个第二参考光脉冲的调制相位，N
1l
为第l个第一和第二参考光脉冲的干涉信号的响应计数，l＝1、...、L。
[0012]进一步地，在所述估算步骤中，利用N个周期内的干涉结果估算公共相位差k
n
为常数，为一个周期内第l个第一参考光脉冲的调制相位，为一个周期内第l个第二参考光脉冲的调制相位，为第n个周期中第l个第一和第二参考光脉冲的干涉信号的响应计数，l＝1、...、L，N＞1。
[0013]优选地，L取值为4，且在一个周期内，第一和第二参考光脉冲中的一个具有四种调制相位，其分别为0、π/2、π和3π/2，第一和第二参考光脉冲中的另一个具有一种调制相位，其为0、π/2、π和3π/2之一。
[0014]更优选地，且或者或者
[0015]本专利技术的第二方面涉及一种基于单个SPD的TF类QKD系统，其包括Alice端、Bob端和Charlie端；
[0016]所述Alice端被设置用于生成第一周期性信号，其具有L个第一参考光脉冲，且L个第一参考光脉冲上被调制有M1种调制相位调制相位在[0，2π)内；
[0017]所述Bob端被设置用于生成第二周期性信号，其具有L个第二参考光脉冲，且L个第二参考光脉冲上被调制有M2种调制相位调制相位在[0，2π)内，其中，L≥3，M1*M2≥3；
[0018]所述Charlie端被设置用于使第一和第二周期性信号发生干涉以生成干涉信号，
利用单个SPD对干涉信号进行探测以得到干涉结果，并利用所述第一和第二参考光脉冲的干涉结果估算公共相位差
[0019]进一步地，所述周期性信号中还包括量子光信号。
[0020]进一步地，所述Charlie端被设置用于：
[0021]利用一个周期内的干涉结果估算公共相位差利用一个周期内的干涉结果估算公共相位差N
1l
/k≈(1+cosγ
ab
(l))/2，k为常数，为第l个第一参考光脉冲的调制相位，为第l个第二参考光脉冲的调制相位，N
1l
为第l个第一和第二参考光脉冲的干涉信号的响应计数，l＝1、...、L；或者，
[0022]利用N个周期内的干涉结果估算公共相位差利用N个周期内的干涉结果估算公共相位差k
n
为常数，为一个周期内第l个第一参考光脉冲的调制相位，为一个周期内第l个第二参考光脉冲的调制相位，为第n个周期中第l个第一和第二参考光脉冲的干涉信号的响应计数，l＝1、...、L，N＞1。
[0023]优选地，L取值为4，且在一个周期内，第一和第二参考光脉冲中的一个具有四种调制相位，其分别为0、π/2、π和3π/2，第一和第二参考光脉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单个SPD的TF类QKD系统中公共相位差的估算方法，其包括周期信号生成步骤、相位调制步骤、干涉步骤和估算步骤；在所述周期信号生成步骤中，在Alice端内生成第一周期性信号，在Bob端内生成第二周期性信号，所述第一周期性信号包括L个第一参考光脉冲，第二周期性信号包括L个第二参考光脉冲，L≥3；在所述相位调制步骤中，在Alice端内对第一参考光脉冲进行相位调制，其中，所述L个第一参考光脉冲上具有M1种调制相位且调制相位在[0，2π)内；在Bob端内对第二参考光脉冲进行相位调制，其中，所述L个第二参考光脉冲上具有M2种调制相位M1*M2≥3，且调制相位在[0，2π)内；在所述干涉步骤中，使第一周期性信号和第二周期性信号进入Charlie端并发生干涉以生成干涉信号，利用单个SPD对干涉信号进行探测并输出干涉结果；在所述估算步骤中，利用所述第一参考光脉冲和第二参考光脉冲的干涉结果，估算公共相位差2.如权利要求1所述的估算方法，其中，在所述估算步骤中，利用一个周期内的干涉结果估算公共相位差果估算公共相位差果估算公共相位差N
1l
/k≈(1+cosγ
ab
(l))/2，k为常数，为第l个第一参考光脉冲的调制相位，为第l个第二参考光脉冲的调制相位，N
1l
为第l个第一和第二参考光脉冲的干涉信号的响应计数，l＝1、...、L。3.如权利要求1所述的估算方法，其中，在所述估算步骤中，利用N个周期内的干涉结果估算公共相位差估算公共相位差估算公共相位差估算公共相位差k
n
为常数，为一个周期内第l个第一参考光脉冲的调制相位，为一个周期内第l个第二参考光脉冲的调制相位，为第n个周期中第l个第一和第二参考光脉冲的干涉信号的响应计数，l＝1、...、L，N＞1。4.如权利要求2或3所述的估算方法，其中，L取值为4，且在一个周期内，第一和第二参考光脉冲中的一个具有四种调制相位，其分别为0、π/2、π和3π/2，第一和第二参考光脉冲中的另一个具有一种调制相位，其为0、π/2、π和3π/2之一。5.如权利要求4所述的估算方法，其中，5.如权利要求4所述的估算方法，其中，l＝1、2...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩志勇，姜聪，王向斌，周飞，
申请(专利权)人：济南量子技术研究院，
类型：发明
国别省市：