同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统及方法技术方案

一种同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统及方法，使用脉冲激光器发送相干光脉冲，调制模块分别将经典信息和量子信息编码调制到脉冲激光器产生的相干光脉冲的单个相干态上，可调光衰减器模块将调制后的相干态衰减到量子级别，信道传输模块将时分偏振复用后的信号通过自由空间链路中传输给接收方，偏振控制器，对接收到从自由空间路中传输后的信号调整偏振态，光学放大器对偏振态信号进行放大，探测器探测放大后的信号解调后，得到载体上的经典信息和量子信息。本发明专利技术在自由空间有限码长效应下经典通信和量子通信同步传输，具有更广阔的应用场景和更接近实际应用的优点。广阔的应用场景和更接近实际应用的优点。广阔的应用场景和更接近实际应用的优点。

【技术实现步骤摘要】
同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统及方法


[0001]本专利技术属于通信
，更进一步涉及量子信息
中的一种同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统及方法。本专利技术可用于自由空间链路中同时传递由连续变量组成的量子信息和经典信息。

技术介绍

[0002]量子信息
中的一种同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统及方法，引入数学理论的经典密码学，使密码学成为了一门严谨且系统的学科。但是，经典密码学的安全性基于数学问题的计算复杂度，其只能保证一段时间的计算安全性。随着计算水平的提高，如果量子计算机得到实现，现有的基于计算复杂度的加密算法将不堪一击。不同于安全性依赖于数学计算复杂度的经典密码学，量子密码学的安全性依赖于物理手段，即用于加密的密钥在理论上具有真随机性以及能保证足够长量子密钥的安全分发。量子保密通信是建立在量子密码学基础上的，它的安全性是依靠量子力学的物理定律，而并非依赖于数学计算复杂度。量子密钥分发QKD(Quantum key distribution)是量子保密通信的核心，是当前最重要、最主流的量子通信技术。QKD是指通信双方以量子态作为信息的载体，通过量子信道传输，从而在通信双方之间协商出密钥的一种密钥分发方法。QKD过程中对量子态的传输，是依靠对光子进行编码、传输、测量实现的，因此QKD协议协商密钥的过程主要包括光源发出光脉冲、对光脉冲进行编码、测量端对光脉冲进行测量并公布测量结果、通信用户生成密钥等过程。目前，量子密钥分发技术可实现两认证用户间的安全密钥分发，受限于实际环境的各种因素。目前QKD主要分为两个分支，即离散变量DVQKD(Discrete Variable Quantum key distribution)和连续变量CVQKD(Continuous Variable Quantum key distribution)。CVQKD因具有很高的探测效率且能够与现有的相干光通信系统进行很好的兼容而受到研究者的广泛关注。
[0003]Bing Qi在其发表的论文“Simultaneous classical communication and quantum key distribution using continuous variables”(PHYSICAL REVIEW A 94,042340(2016))中提出了一种允许使用相同的通信基础设施同时实现经典通信和QKD的方案。更特别地说，提出了一种相干通信方案，其中经典通信的位和QKD的高斯分布随机数都编码在同一弱相干脉冲上，并由同一相干接收机解码。基于实际系统参数的仿真结果表明，在数十公里的单模光纤上，可以实现比特误码率为10
‑9的确定性经典通信和安全的密钥分配。但是，该方法仍然存在不足之处：其一，在实际传输过程中，除了在光纤信道中传输，在自由空间链路中传输也应用广泛，光纤信道传输受限，需要大量光纤覆盖，只能在光纤中传输，受山地河流等因素影响，某些条件下不能铺设光纤进行传播，具有很大的局限性。其二，在实际应用场景当中，数据长度是有限的，而该方法只在理论分析假设数据长度是无限的情况，不进行有限码长效应的分析，只考虑了理论情况，忽略了实际应用中造成偏差。
[0004]钟海在其发表的论文“基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案”(Acta Phys.Sin.Vol.70,No.2(2021)020301)中提出了一种基于光前置放大器的量子密钥
分发融合经典通信方法，即在接收端插入光前置放大器来提升系统的性能。首先，在相同比特误码率条件下，光前置放大器对信号的放大能够降低对发送端经典信号调制振幅的要求，从而降低经典信号对量子信号的噪声影响；其次，光前置放大器能够补偿接收端探测器的不完美；再次，对于本地本振光的情形，放大器还能放大弱相位参考脉冲，从而降低参考脉冲散粒噪声带来的相位过噪声。在实际可达到的系统参数下，数值仿真结果表明本文提出的方案相比于原方案在安全密钥率和传输距离上都有很好的提升。但是，该方法仍然存在的两点不足之处是：其一，在实际传输过程中，除了在光纤信道中传输，在自由空间链路中传输也应用广泛，光纤信道传输受限，需要大量光纤覆盖，只能在光纤中传输，受山地河流等因素影响，某些条件下不能铺设光纤进行传播，具有很大的局限性。其二，在实际应用场景当中，数据长度是有限的，而该方法只在理论分析假设数据长度是无限的情况，不进行有限码长效应的分析，只考虑了理论情况，忽略了实际应用中造成偏差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对上述技术存在的不足，提出了一种同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统及方法，用于解决因为山川河流无法铺设光纤信道，以及实际应用中成码率和成码距离偏差大的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的思路是：本专利技术在基于光前置放大器OPA(Optical Preamplifier)的量子密钥分发融合经典通信方案上考虑自由空间链路中传输和有限码长效应条件下的分析结果，并对参数做出可优化的分析，相比于在光纤链路中同时传输量子信息和经典信息，在自由空间链路中传输，并对有限码长效应进行考虑和对影响传输的参数进行分析，可以有效的克服地形带来的传输障碍，在实际应用中减小偏差，并且增加密钥率和成码距离。本专利技术考虑在自由空间链路中进行信息传递，并对有限码长效应进行分析，有效地避免了因实际情况造成的无法传输问题，考虑影响传输的参数优化，弥补了密钥率、低成码距离短的问题。
[0007]本专利技术的系统包括脉冲激光器、调制模块、可调光衰减器模块、信道传输模块、偏振控制器、光学放大器、探测器，其中：
[0008]所述脉冲激光器，用于产生一组连续的相干光脉冲，用于将量子信息和经典信息调制到相干光脉冲上，相干光脉冲作为信息的载体在信道中传输，得到相干光脉冲；
[0009]所述调制模块，用于通过相位调制方法，分别将经典信息和量子信息编码调制到脉冲激光器产生的相干光脉冲的单个相干态上；
[0010]所述可调光衰减器模块，用于将调制后的相干态衰减到具有量子特性级别，将衰减后的信号与参考脉冲进行时分偏振复用，得到时分偏振复用后的信号；
[0011]所述信道传输模块，用于信道传输模块将时分偏振复用后的信号通过自由空间链路中传输给接收方，利用公式，计算自由空间链路的损耗，其中，T表示自由空间链路的信道透射率，π表示圆周率，w0表示时分偏振复用后信号的光斑尺寸，a
R
表示接收方的接收器孔径，λ表示时分偏振复用后信号的载波波长，z表示发送端和接收端之间的成码距离；
[0012]所述偏振控制器，用于对从自由空间路中传输后的信号，利用偏振控制器，对接收
到从自由空间路中传输后的信号调整偏振态，得到处理之后的偏振态信号；
[0013]所述光学放大器，用于对偏振态信号进行放大，直至增益效果趋于稳定，得到放大后的信号；与光学放大器对应的探测器对探测放大后的信号解调后，得到载体上的经典信息和量子信息。
[0014]本专利技术的方法的步骤包括如下：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统，包括脉冲激光器、调制模块、可调光衰减器模块、信道传输模块、偏振控制器、光学放大器、探测器，其特征在于，其中：所述脉冲激光器，用于产生一组连续的相干光脉冲，用于将量子信息和经典信息调制到相干光脉冲上，相干光脉冲作为信息的载体在信道中传输，得到相干光脉冲；所述调制模块，用于通过相位调制方法，分别将经典信息和量子信息编码调制到脉冲激光器产生的相干光脉冲的单个相干态上；所述可调光衰减器模块，用于将调制后的相干态衰减到具有量子特性级别，将衰减后的信号与参考脉冲进行时分偏振复用，得到时分偏振复用后的信号；所述信道传输模块，用于信道传输模块将时分偏振复用后的信号通过自由空间链路中传输给接收方，利用公式，计算自由空间链路的损耗，其中，T表示自由空间链路的信道透射率，π表示圆周率，w0表示时分偏振复用后信号的光斑尺寸，a
R
表示接收方的接收器孔径，λ表示时分偏振复用后信号的载波波长，z表示发送端和接收端之间的成码距离；所述偏振控制器，用于对从自由空间路中传输后的信号，利用偏振控制器，对接收到从自由空间路中传输后的信号调整偏振态，得到处理之后的偏振态信号；所述光学放大器，用于对偏振态信号进行放大，直至增益效果趋于稳定，得到放大后的信号；与光学放大器对应的探测器对探测放大后的信号解调后，得到载体上的经典信息和量子信息。2.根据权利要求1所述同时传输经典信息和进行量子密钥分发的系统，其特征在于，所述光学放大器包括理想的相敏感放大器和实际的相不敏感放大器，当接收端选择理想的相敏感放大器时，则接收端选择零差探测器，当接受端选择实际的相不敏感放大器时，则接收端选择外差探测器。3.根据权利要求1所述系统的一种同时传输经典信息和进行量子密钥分发方法，其特征在于，在自由空间和有限码长条件下，对经典通信和量子通信同步传输的密钥分发系统的传输距离进行增大，该方法的步骤包括如下：步骤1，获得相干光脉冲：所述脉冲激光器，用于产生一组连续的相干光脉冲，用于将量子信息和经典信息调制到相干光脉冲上，相干光脉冲作为信息的载体在信道中传输，得到相干光脉冲；步骤2，调制信息在相干光脉冲上：调制模块采用相位调制方法，分别将经典信息和量子信息编码调制到脉冲激光器产生的相干光脉冲的单个相干态上；步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱畅华，于震浩，王兴仟，权东晓，何先灯，赵楠，易运晖，陈南，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：