基于热态源的自由空间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基于热态源的自由空间连续变量量子密钥分发方法及系统，涉及量子密钥分发技术领域，包括：连续变量初始密钥分发步骤：将发送方Alice利用热态源起偏分束后的正则分量X及P的检测结果，作为本地初始密钥；并将另一半热态光信号衰减后与本振光合束经过自由空间信道进行传输后，由接收方Bob进行检测，获得对应的初始连续密钥数据；连续数据后处理步骤：Bob对获得的所述初始连续密钥数据进行位帧同步、分块相位补偿、参数评估、纠错及保密增强，最终获取安全二进制比特密钥。本发明专利技术能够降低连续变量量子密钥分发系统实现复杂度，并为量子密钥分发系统提供新的应用场景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
基于热态源的自由空间连续变量量子密钥分发方法及系统


[0001]本专利技术涉及量子密钥分发
，具体地，涉及基于热态源的自由空间信道下随路本振连续变量量子密钥分发(CVQKD)方法，尤其涉及一种基于热态源的自由空间连续变量量子密钥分发方法及系统。

技术介绍

[0002]目前大部分的连续变量量子密钥分发系统(CVQKD)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。同样的，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。
[0003]这两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。另一方面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。
[0004]另外在热态光源的量子密钥分发领域，目前还处于基于本振光与信号光分立短距离光纤传输的进展。而没有一种能应用于自由空间信道中的较为廉价的量子密钥分发方案。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种基于热态源的自由空间连续变量量子密钥分发方法及系统。
[0006]根据本专利技术提供的一种基于热态源的自由空间连续变量量子密钥分发方法及系统，所述方案如下：
[0007]第一方面，提供了一种基于热态源的自由空间连续变量量子密钥分发方法，所述方法包括：
[0008]连续变量初始密钥分发步骤：将发送方Alice利用热态源起偏分束后的正则分量X及P的检测结果，作为本地初始密钥；并将另一半热态光信号衰减后与本振光合束经过自由空间信道进行传输后，由接收方Bob进行检测，获得对应的初始连续密钥数据；
[0009]连续数据后处理步骤：Bob对获得的所述初始连续密钥数据进行位帧同步、分块相位补偿、参数评估、纠错及保密增强，最终获取安全二进制比特密钥。
[0010]优选地，所述连续变量初始密钥分发步骤包括：
[0011]步骤S1.1：发送方Alice及接收方Bob对基于热态光源的连续变量量子密钥分发系统进行通信初始化，包括对系统中的ASE热态源、相干光源、光放大器、光带通滤波器、偏振光分束器、90
°
光混合器Hybrid、量子平衡零差检测器以及控制电路进行初始化；
[0012]步骤S1.2：Alice端将所述ASE热态源经光放大器放大后通过窄带光滤波器，并通过50：50光分束器将其分为两路，一路经光衰减器后与相干光源经过50:50光分束器的一部
分本振信号作为接收端本振光合束经自由空间信道发送给接收方Bob，一路留在本地，与另一半相干光信号同时输入光混合器进行量子平衡零差检测，同时获取热态的正则分量X和P作为初始密钥数据K1；
[0013]步骤S1.3：Bob将收到的Alice发送来的偏振复用信号解复用为本振信号和热态信号分别通过偏振控制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。
[0014]优选地，所述步骤S1.2包括：
[0015]步骤S1.2.1：Alice通过调整ASE热态源、光放大器以及光衰减器进行平均光子数控制，使经50：50光分束器及衰减器的热态光信号光平均光子数满足n＝0.5mn0；
[0016]其中，m为光衰减器衰减因子，n0为热态光信号经带通滤波器后的平均光子数，则热态的正则分量服从均值为零，方差为V
A
＝mn0的类高斯分布；其中，V
A
的取值范围为大于0且小于80，并将其通过自由空间信道发送给Bob；
[0017]步骤S1.2.2：Alice保留50:50光分束器分束的另一半热光信号在本地，并与Alice产生的连续相干光信号经光通过50:50光分束器分束的一部分光信号同时输入Hybrid光混合器，实现两路连续光信号的干涉，并通过量子平衡零差检测器获取初始密钥数据X，另一路通过偏振合束与信号光一起发送给Bob。
[0018]优选地，所述连续数据后处理步骤包括：
[0019]步骤S2.1：Bob和Alice进行初始连续密钥数据的无特殊调制帧的多轮位帧同步，并进行基于数据处理的相位补偿；
[0020]步骤S1.2：Alice和Bob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；
[0021]步骤S1.3：Bob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；
[0022]步骤S1.4：Bob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。
[0023]优选地，在Alice与Bob的光路中设置有隔离器及光检测器PD和光功率计以监控热态光源及本振光光强。
[0024]第二方面，提供了一种基于热态源的自由空间连续变量量子密钥分发系统，所述系统包括：
[0025]连续变量初始密钥分发模块：将发送方Alice利用热态源起偏分束后的正则分量X及P的检测结果，作为本地初始密钥；并将另一半热态光信号衰减后与本振光合束经过自由空间信道进行传输后，由接收方Bob进行检测，获得对应的初始连续密钥数据；
[0026]连续数据后处理模块：Bob对获得的所述初始连续密钥数据进行位帧同步、分块相位补偿、参数评估、纠错及保密增强，最终获取安全二进制比特密钥。
[0027]优选地，所述连续变量初始密钥分发模块包括：
[0028]模块M1.1：发送方Alice及接收方Bob对基于热态光源的连续变量量子密钥分发系统进行通信初始化，包括对系统中的ASE热态源、相干光源、光放大器、光带通滤波器、偏振光分束器、90
°
光混合器Hybrid、量子平衡零差检测器以及控制电路进行初始化；
[0029]模块M1.2：Alice端将所述ASE热态源经光放大器放大后通过窄带光滤波器，并通
过50：50光分束器将其分为两路，一路经光衰减器后与相干光源经过50:50光分束器的一部分本振信号作为接收端本振光合束经自由空间信道发送给接收方Bob，一路留在本地，与另一半相干光信号同时输入光混合器进行量子平衡零差检测，同时获取热态的正则分量X和P作为初始密钥数据K1；
[0030]模块M1.3：Bob将收到的Alice发送来的偏振复用信号解复用为本振信号和热态信号分别通过偏振控制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。
[0031]优选地，所述模块M1.2包括：
[0032]模块M1.2.1：Alice通过调整ASE热态源、光放大器以及光衰减器进行平均光子数控制，使经50：50光分束器及衰减器的热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热态源的自由空间连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，包括：连续变量初始密钥分发步骤：将发送方Alice利用热态源起偏分束后的正则分量X及P的检测结果，作为本地初始密钥；并将另一半热态光信号衰减后与本振光合束经过自由空间信道进行传输后，由接收方Bob进行检测，获得对应的初始连续密钥数据；连续数据后处理步骤：Bob对获得的所述初始连续密钥数据进行位帧同步、分块相位补偿、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自由空间连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述连续变量初始密钥分发步骤包括：步骤S1.1：发送方Alice及接收方Bob对基于热态光源的连续变量量子密钥分发系统进行通信初始化，包括对系统中的ASE热态源、相干光源、光放大器、光带通滤波器、偏振光分束器、90
°
光混合器Hybrid、量子平衡零差检测器以及控制电路进行初始化；步骤S1.2：Alice端将所述ASE热态源经光放大器放大后通过窄带光滤波器，并通过50：50光分束器将其分为两路，一路经光衰减器后与相干光源经过50:50光分束器的一部分本振信号作为接收端本振光合束经自由空间信道发送给接收方Bob，一路留在本地，与另一半相干光信号同时输入光混合器进行量子平衡零差检测，同时获取热态的正则分量X和P作为初始密钥数据K1；步骤S1.3：Bob将收到的Alice发送来的偏振复用信号解复用为本振信号和热态信号分别通过偏振控制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。3.根据权利要求2所述的基于热态源的自由空间连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S1.2包括：步骤S1.2.1：Alice通过调整ASE热态源、光放大器以及光衰减器进行平均光子数控制，使经50：50光分束器及衰减器的热态光信号光平均光子数满足n＝0.5mn0；其中，m为光衰减器衰减因子，n0为热态光信号经带通滤波器后的平均光子数，则热态的正则分量服从均值为零，方差为V
A
＝mn0的类高斯分布；其中，V
A
的取值范围为大于0且小于80，并将其通过自由空间信道发送给Bob；步骤S1.2.2：Alice保留50:50光分束器分束的另一半热光信号在本地，并与Alice产生的连续相干光信号经光通过50:50光分束器分束的一部分光信号同时输入Hybrid光混合器，实现两路连续光信号的干涉，并通过量子平衡零差检测器获取初始密钥数据X，另一路通过偏振合束与信号光一起发送给Bob。4.根据权利要求1所述的基于热态源的自由空间连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述连续数据后处理步骤包括：步骤S2.1：Bob和Alice进行初始连续密钥数据的无特殊调制帧的多轮位帧同步，并进行基于数据处理的相位补偿；步骤S1.2：Alice和Bob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S1.3：Bob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S1.4：Bob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自由空间连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，在Alice与Bob的光路中设置有隔离器及光检测器PD和光功率计以监控热态光源及本振光光强。6.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄鹏，魏书荣，周颖明，
申请(专利权)人：上海循态量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：