一种CV-QKD连续变量量子密钥分发偏振补偿方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种CV

【技术实现步骤摘要】
一种CV
‑
QKD连续变量量子密钥分发偏振补偿方法及系统


[0001]本专利技术属于量子保密通信
，尤其涉及一种CV
‑
QKD连续变量量子密钥分发偏振补偿方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来，网络安全事件时有发生，直接威胁到了现实世界的稳定，网络安全已成为一个不得不面对的问题。传统加密手段以及其演变技术虽然能进一步巩固网络安全防线，但由于量子计算等技术的发展，已难以保证绝对的通信安全。随着量子物理和量子信息论的发展，建立在量子力学原理基础上的量子密码学已经被证明具备信息论意义上的无条件安全性。其中，最具代表性的技术是通过量子技术实现通信双方的安全在线密钥共享，即量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)。QKD主要包括离散变量和连续变量两大技术途径。连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum Key Distribution,CV
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QKD)采用量子光场的正交分量作为信息载体，具备中短传输距离内安全码率高，且可与传统光通信的大部分器件通用的优势，是量子密钥分发技术的重要发展方向。
[0003]在基于光纤链路传输的CV
‑
QKD系统中，量子信号光不可避免地受到多种效应的影响，导致系统过噪声增大，从而影响系统的安全码率。其大致包括偏振随机扰动、激光器线宽与波长漂移、链路色散与非线性散射等。在量子信号接收端，CV
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QKD系统常采用相干探测技术。光纤中偏振随机扰动使得Alice端发出的量子信号偏振状态无法保持与Bob端的偏振主轴对齐，导致相干探测不稳定，进而导致量子态的探测效率降低。此外，在Bob端分离偏振复用脉冲时，由于偏振分束器(PBS)的有限偏振消光比，参考路径中会残留一部分光子泄露进信号路径。导致系统过噪声增大，进而影响系统的安全码率。
[0004]基于上述分析，光纤中偏振补偿问题是制约系统安全码率的核心问题之一。因此，偏振补偿是获取高安全码率至关重要的一步，显著影响系统整体的安全性和密钥生成速率。
[0005]CV
‑
QKD系统包括量子信息的产生、传输、探测和数据后处理，其整体框图如图1所示。其主要步骤如下：
[0006]1)发送端(Alice)首先制备量子态，连续光源产生的光作为载波，随后将待调制的信号加载到载波上；
[0007]2)量子信号光与经典参考光通过时分/频分/偏振复用技术增加隔离度，以减小经典参考光向量子信号光的串扰，同时提升光纤信道的复用率，随后通过光纤量子信道进行传输。
[0008]3)随后接收端(Bob)先通过偏振分束器(PBS)将信号分为两路，接着通过相干检测技术将光信号转换为电信号，初步得到探测结果。
[0009]4)接下来，Bob将数字域的信号通过数字信号处理(DSP)技术，实现量子信号的偏振补偿和相位补偿，得到原始密钥信号。
[0010]5)最后对原始密钥信号进行数据后处理，包括基比对(可选)、参数估计、数据协
商、私钥放大等步骤，以去除其中被窃听者获取的部分信息，从而使密钥达到信息论安全。
[0011]在目前的CV
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QKD实验中，偏振补偿方案主要分为两种。一种是主动补偿方案，采用手动偏振控制器(manual PC,MPC)来控制偏振态的变化，而该器件具有一定的插入损耗，会直接降低接收端的量子信号探测效率。同时该器件无法实时跟踪环境影响造成的偏振抖动，进而引入过噪声。而商用的动态偏振控制器(dynamic PC,DPC)需要高功率的反馈光信号，会引入更大的插入损耗，且对偏振随机扰动的跟踪能力较弱。另一种是被动补偿方案，该方案采用数字信号处理算法估算出量子信号的偏振变化，在数字域上进行偏振补偿。虽然主动补偿方案是实验室中常用的偏振补偿方案，但其需要额外的光电器件完成光场的偏振探测与补偿，系统复杂度高，体积大，成本高。而被动补偿方案无需额外的光电器件，成本可控，更易集成，是CV
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QKD产品化的优选方案。以往的电域偏振控制方案，都存在不同程度的缺点：
[0012]1)时分复用方案：如图4所示，仅采用时分复用的方案，缺点在于经典光与量子光的隔离度较差，使得从经典参考光到量子信号光的串扰较大。
[0013]2)时分+单偏振复用方案：如图5所示，以往采用的经典光与量子光分别处于不同的偏振方向方案，优点是经典参考光与量子信号光的隔离度最大，很大程度减小了串扰。但较为明显的缺点是，经过光纤信道后，量子光与经典光很可能不再垂直，损失了偏振补偿的精度，导致偏振补偿后存在残余误差，估计的精度难以满足高精度偏振补偿的需求，最终导致系统实际安全码率受限。
[0014]3)频分+偏振复用方案：以往的采用经典光与量子光频分复用的方案，系统复杂度相对较高，不利于实用化。
[0015]综上所述，按照现有技术，将无法有效控制系统的过噪声，同时不精准的偏振估计将限制数字域偏振补偿的精度，导致偏振补偿后存在残余误差，估计的精度难以满足高精度偏振补偿的需求，最终导致系统实际安全码率受限。

技术实现思路

[0016]本专利技术的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种CV
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QKD连续变量量子密钥分发偏振补偿方法及系统，本专利技术在本地本振CV
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QKD系统中，通过引入参考光，一方面便于在接收端进行相位恢复，另一方面，在接收端可以通过测量经典参考光的偏振变化量来估计量子信号光的偏振态；同时，经典参考光和量子信号光通过偏振复用、时分复用、频分复用等形式可以降低其相互作用的强度，减小系统的过噪声。
[0017]一方面，本专利技术目的通过下述技术方案来实现：
[0018]一种CV
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QKD连续变量量子密钥分发偏振补偿方法，其特征在于，所述连续变量量子密钥分发偏振补偿方法包括：引入参考光1和参考光2，通过两个偏振方向交替出现的参考光偏振变化量来估计量子信号光的偏振态；
[0019]具体地，在垂直偏振方向将量子光与参考光1按照预设比例进行时分复用，再与水平偏振方向的参考光2进行偏振复用，同时，通过插值法补全缺漏的导频光数据，以使得有相邻的两组参考光数据用来估计量子信号光的偏振变化量。
[0020]根据一个优选的实施方式，参考光及量子信号光的偏振控制的过程包括如下步骤：
[0021]A.在发送端，信号光脉冲的重复频率为f
rep
，两路参考光脉冲的频率为f
pilot
，将参考光1相对量子信号光时移1/2f
rep
，与量子信号光进行时分复用，通过偏振控制器1调节偏振方向为垂直；
[0022]B.在发送端，将参考光2相对量子信号光时移
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1/2f
rep
，通过偏振控制器2调节偏振方向为水平，再与A中垂直偏振方向的光信号合束进行偏振复用，通过光纤量子信道进行传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CV
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QKD连续变量量子密钥分发偏振补偿方法，其特征在于，所述连续变量量子密钥分发偏振补偿方法包括：引入参考光1和参考光2，通过两个偏振方向交替出现的参考光偏振变化量来估计量子信号光的偏振态；具体地，在垂直偏振方向将量子光与参考光1按照预设比例进行时分复用，再与水平偏振方向的参考光2进行偏振复用，同时，通过插值法补全缺漏的导频光数据，以使得有相邻的两组参考光数据用来估计量子信号光的偏振变化量。2.如权利要求1所述的CV
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QKD连续变量量子密钥分发偏振补偿方法，其特征在于，参考光及量子信号光的偏振控制的过程包括如下步骤：A.在发送端，信号光脉冲的重复频率为f
rep
，两路参考光脉冲的频率为f
pilot
，将参考光1相对量子信号光时移1/2f
rep
，与量子信号光进行时分复用，通过偏振控制器1调节偏振方向为垂直；B.在发送端，将参考光2相对量子信号光时移
‑
1/2f
rep
，通过偏振控制器2调节偏振方向为水平，再与A中垂直偏振方向的光信号合束进行偏振复用，通过光纤量子信道进行传输；C.在接收端，通过偏振分束器初步将两路信号光正交接收，随后进行相干探测，得到两路电信号，最终在数字域完成时分解复用与偏振解复用；D.将光信号转换到数字域之后，通过数字信号处理方法进行偏振补偿。3.如权利要求2所述的CV
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QKD连续变量量子密钥分发偏振补偿方法，其特征在于，步骤D中，数字信号处理方法包括：CMA恒模算法、斯托克斯算法、卡尔曼滤波算法。4.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帅，李扬，徐兵杰，黄伟，盘艳，马荔，张涛，王恒，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十研究所，
类型：发明
国别省市：