CN103986527B - 一种高速低电压相位调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速低电压相位调制方法，该方法应用于环外调相量子密钥分配系统，是在一个周期前后两个光脉冲经过调相器时，调相器加载至这两个光脉冲的调制电信号的幅值发生反转，加载至这两个光脉冲中前一个光脉冲的调制电信号的幅值为N，加载至这两个光脉冲中后一个光脉冲的调制电信号的幅值为-N。利用本发明，使得量子密钥分配系统电子学部分需要提供的电信号电压差最大值减小为常规方法的一半，且直流分流恒为零，有效解决了相位编码量子密钥分配系统存在的调相电压太高和调相信号存在直流分量耦合复杂等技术难点，有利于高速、稳定量子密钥分配系统的实现。

Description

一种高速低电压相位调制方法

技术领域

本发明属于量子密码技术领域，特别涉及相位调制方法，用于高速相位编码量子密钥分配系统。

背景技术

作为量子物理最具应用价值的单量子技术之一，量子密码受到越来越多的重视。作为量子密码的核心，量子密钥分配能够实现远程用户之间信息论意义上无条件安全的密钥共享，将其与“一次一密”加密技术结合，可实现无条件安全的保密通信。量子密钥分配实现系统多以光子作为比特载体，在具体编码方式方面，主要有相位编码和偏振编码两大类。在传统光通信网络中，量子密钥分配以普通单模光纤为传输信道，已多次成功实现安全密钥共享。光纤信道中存在固有双折射，且会受到环境扰动，因此光纤信道中的量子密钥分配多采用相位编码方式。

BB84协议是目前应用最为广泛的量子密钥分配协议，将其应用于相位编码量子密钥分配系统，就要求系统中的调相器(也称为相位调制器)进行快速的四相位调制来实现编码。相位编码量子密钥分配系统的发送端(记为Alice)完成四相位调制，接收端(记为Bob)至少完成二相位调制，因此在相位编码量子密钥分配系统中，电子学部分需要控制调相器进行四相位调制，如{0，π/2，π，3π/2}，四个相位之间差值的最大值达到3π/2，这就对量子密钥分配系统的电子学部分提出了较高的驱动要求。以美国JDSU公司生产的高速调相器PM-150-080为例，其半波电压V_π在10GHz情况下最高为11伏，3π/2的相位差就要求电子学部分能提供电压差达到16.5伏的高速信号，在现有的技术条件下具有较高的难度。除此之外，量子密钥分配系统要求发送端和接收端均随机编码，在一定的时间内调相信号会存在直流分量，若是使用常见的交流耦合射频放大器则会导致信号失真；若是使用直流耦合的方式，一方面高速且高电压输出的直流耦合射频放大器商用产品很少，另一方面直流耦合射频放大器静态工作点会随温度发生漂移，导致输出电压漂移，使得调相不准，需要反馈控制机制加以稳定，这使得系统的电子学部分更加复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供高速低电压相位调制方法，以解决相位编码量子密钥分配系统存在的调相电压太高和调相信号存在直流分量耦合复杂的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种高速低电压相位调制方法，该方法应用于环外调相量子密钥分配系统，是在一个周期前后两个光脉冲经过调相器时，调相器加载至这两个光脉冲的调制电信号的幅值发生反转，加载至这两个光脉冲中前一个光脉冲的调制电信号的幅值为N，加载至这两个光脉冲中后一个光脉冲的调制电信号的幅值为-N。

上述方案中，所述环外调相量子密钥分配系统包括发送端和接收端，发送端包括在光路上依次设置的光源、第一不等臂干涉环a和第一调相器A，接收端包括在光路上依次设置的第二调相器B、第二不等臂干涉环b和探测器；所述发送端的光源发出的一个光脉冲经过第一不等臂干涉环a后分成前后两个相同的光脉冲，这两个光脉冲被第一调相器A进行调制编码，第一调相器a向这两个光脉冲中前一个光脉冲加载的的调制电信号的幅值为N，向这两个光脉冲中后一个光脉冲加载的的调制电信号的幅值为-N；调制后的这两个光脉冲经过信道被传输至接收端；所述接收端的第二调相器B对这两个光脉冲进行调制解码，解码后的这两个光脉冲进入第二不等臂干涉环b，发生干涉后输出被探测器探测。

上述方案中，所述第一不等臂干涉环a和第二不等臂干涉环b是配对的，一个周期T内，所述光源发出一个光脉冲，经第一不等臂干涉环a后变成两个相同的光脉冲，这两个相同的光脉冲先经过第一调相器A被调制编码，然后再经过第二调相器B被调制解码，接着进入经第二不等臂干涉环b发生干涉分成三个光脉冲，这三个光脉冲从第二不等臂干涉环b的两个互补的干涉输出口输出至探测器，这三个光脉冲中中间位置的脉冲是干涉峰，探测器的探测门设定在干涉峰位置进行探测。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的高速低电压相位调制方法，用于环外调相量子密钥分配系统，当一个周期前后两个光脉冲经过调相器时，调相器加载的调制电信号在光脉冲中间位置发生反转，使得量子密钥分配系统电子学部分需要提供的电信号电压差最大值减小为常规方法的一半，且直流分流恒为零，能够以一半的调相电压实现相位编码量子密钥分配系统的完整功能，且采用常规简单的交流耦合方式即可实现，有效解决了相位编码量子密钥分配系统存在的调相电压太高和调相信号存在直流分量耦合复杂等技术难点，有利于高速、稳定量子密钥分配系统的实现。

附图说明

图1是依照本发明实施例的环外调相量子密钥分配系统结构简图；

图2是依照本发明实施例的高速低电压相位调制方法的原理示意图；

图3是依照本发明实施例的高速低电压相位调制方法的时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的高速低电压相位调制方法，适用于环外调相量子密钥分配系统，环外调相量子密钥分配系统通过不等臂干涉环将输入的一个脉冲分成前后两个脉冲，然后将相位编码加载于这两个光脉冲的相对相位上。对于环外调相量子密钥分配系统，调相器放置在不等臂干涉环外，同一周期的两个脉冲均经过调相器。

环外调相量子密钥分配系统的结构框架如图1所示，一个系统周期T内，发送端Alice的光源发出的一个光脉冲经过第一不等臂干涉环a后分成前后两个相同的光脉冲，这两个光脉冲经第一调相器A进行调制编码；经过信道传输后，进入接收端Bob；在接收端Bob，先经过第二调相器B进行调制解码，然后进入对应的第二不等臂干涉环b发生干涉，分成三个光脉冲，中间位置的脉冲是干涉峰，第二不等臂干涉环b有两个互补的干涉输出口，称为第一干涉输出1和第二干涉输出2，分成的这三个光脉冲从互补的第一干涉输出1和第二干涉输出2输出至探测器，探测器的探测门即设定在干涉峰位置进行探测。干涉峰的大小取决于第一调相器A和第二调相器B调制的相位差，第一不等臂干涉环a和第二不等臂干涉环b是配对的。

本发明提供的高速低电压相位调制方法，是在一个周期前后两个光脉冲经过调相器时，调相器加载至这两个光脉冲的调制电信号的幅值发生反转，加载至这两个光脉冲中前一个光脉冲的调制电信号的幅值为N，加载至这两个光脉冲中后一个光脉冲的调制电信号的幅值为-N。其原理示意图如图2所示，在前一个被调相脉冲经过调相器时，调制电信号的幅值为N，相应地后一个被调相脉冲经过调相器时，调制电信号发生反转，幅值变为-N。若幅值为N的电信号加载调相器上调制的相位是Φ，相应地-N电信号调制的相位是-Φ，那么，当采用幅值为N的电信号调制前一个脉冲且-N电信号调制后一个脉冲的调制方法，前后两个脉冲的相位差是2Φ，即编码的相位为2Φ。

当环外调相量子密钥分配系统执行BB84协议时，发送端Alice编码调制的电信号幅值N取值集合为{-3V_πA/8，-V_πA/8，V_πA/8，3V_πA/8}，相应地调制相位集合为{-3π/4，-π/4，π/4，3π/4}，接收端Bob解码调制的电信号N取值集合为{-V_πB/8，V_πB/8}，相应地调制相位集合为{-π/4，π/4}。这里V_πA和V_πB分别表示Alice和Bob调相器的半波电压。

采用本发明提出的相位调制方法，虽然量子密钥分配系统调制的相位差最大值依然是3π/2，但是量子密钥分配系统的电子学部分加载在调相器上的电信号电压差最大值减小为3V_π/4，仅为常规方法的一半，这将大大降低电子学部分的技术难度。而且，在同一周期内，由于调制电信号在中间位置发生反转，直流分量恒为零，对于需要随机调制的量子密钥分配系统，采用本发明提出的相位调制方法，电子学部分使用常用的交流耦合方式即可满足需求。总而言之，本发明提出的相位调制方法，使量子密钥分配系统电子学部分需要提供的电信号电压差最大值减小为常规方法的一半，且直流分流为零，大大降低电子学部分的难度，有利于高速、稳定量子密钥分配系统的实现。

为方便描述，假定发送端Alice的调相器A和接收端Bob的调相器B有相同的半波电压，即V_πA＝V_πB＝8V，调制的相位π＝4P。在本发明实施的过程中，为了获取最佳的调制效果，Alice和Bob在加载调制信号时，电压反转的时间位置需在Alice第一不等臂干涉环a输出的前后光脉冲中间。

在执行BB84协议时，发送端Alice的调相信号有四种，前后光脉冲被加载的电信号{-N，+N}分别为{-3V，+3V}、{-V，+V}、{+V，-V}和{+3V，-3V}，对应调制的相位分别为-3P、-P、+P和+3P；接收端Bob的调相信号有两种，前后光脉冲被加载的电信号分别为{-V，+V}和{+V，-V}，对应调制的相位分别为-P和+3P。

图3是调相方法的具体实施例详细时序图，发送端Alice调相信号有四种，接收端Bob调相信号有两种，由于在量子密钥分配过程中，Alice和Bob随机独立地进行相位调制，组合起来即有八种相同概率出现的情形，从(1)到(8)就是可能出现的八种情形。

表1列出了详细的量子密钥分配过程中Alice端调制信号、对应的调制相位和Bob端调制信号、对应的调制相位，以及两端相位差值、第一干涉输出1的干涉峰、第二干涉输出2的干涉峰、比特处理等。

表1实施本发明时量子密钥分配系统过程

接收端Bob的不等臂干涉环输出口，在三个时间位置会出现光子，但是仅中间位置的干涉峰才携带完整的Alice和Bob调相信息。干涉峰的大小取决于第一调相器A和第二调相器B调制的相位差，相应地探测器的探测门即设定在干涉峰位置进行探测。

第一干涉输出1的干涉峰强度为第二干涉输出2的干涉峰强度为和分别是Alice和Bob调制的相位，α是光源输出光脉冲到达探测器前的强度。依据前面的描述，在执行BB84协议中，相位差的取值在八种情形下分别为-2P＝-π/2、-4P＝-π、0、-2P＝-π/2、+2P＝π/2、0、+4P＝π和+2P＝π/2。对于余弦函数而言，-π/2与-π/2、-π与π是一样的，相位差的取值在八种情形下等价地写为π/2、π、0、π/2、π/2、0、π和π/2，即以0.5的概率相位差为π/2，以0.25的概率相位差为0，以0.25的概率相位差为π。这与常规执行BB84协议的相位编码量子密钥分配系统是一致的。

量子密钥分配系统在对比特进行处理时，相位差为π/2的时候，第一干涉输出1和第二干涉输出2的干涉峰均有可能出现光子，将探测结果对应的比特作舍去处理；相位差为0或者π的时候，第一干涉输出1或者第二干涉输出2的干涉峰具有确定的探测结果，将探测结果对应的比特保留。

在量子密钥分配过程中，虽然发送端Alice调制的四个相位为{-3π/4，-π/4，π/4，3π/4}，接收端Bob调制的两个相位为{-π/4，π/4}，但发送端Alice的调相信号电压差的最大值为6V＝3V_πA/4，接收端Bob的调相信号电压差的最大值为2V＝V_πB/4，而采用常规调相时，发送端Alice的调相信号电压差的最大值为3V_πA/2，接收端Bob的调相信号电压差的最大值为V_πB/2，因此，实施本发明提出的调相方法，系统电子学调相信号电压差的最大值降为常规方法的一半。并且，本发明提出的调相方法，在每个周期内，Alice和Bob的调相信号均在中间位置发生了反转，总的直流分量恒定为零，如果是常规方法，由于量子密钥分配系统需要随机地调相，在一段时间内调相信号会有可能存在直流分量，这对高速电子学部分提出了苛刻的要求，因此，实施本发明提出的调相方法，调相信号的直流分量恒为零，高速电子学部分采用交流耦合的方式即可。简言之，实施本发明提出的相位调制方法，大大降低了量子密钥分配系统高速电子学部分的难度，有利于实现高速、稳定的量子密钥分配。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高速低电压相位调制方法，其特征在于，该方法应用于环外调相量子密钥分配系统，是在一个周期内，分别有前后两个光脉冲经过调相器时，调相器加载至这两个光脉冲的调制电信号的幅值发生反转，加载至这两个光脉冲中前一个光脉冲的调制电信号的幅值为N，加载至这两个光脉冲中后一个光脉冲的调制电信号的幅值为-N。

2.根据权利要求1所述的高速低电压相位调制方法，其特征在于，所述环外调相量子密钥分配系统包括发送端和接收端，发送端包括在光路上依次设置的光源、第一不等臂干涉环(a)和第一调相器(A)，接收端包括在光路上依次设置的第二调相器(B)、第二不等臂干涉环(b)和探测器；

所述发送端的光源发出的一个光脉冲经过第一不等臂干涉环(a)后分成前后两个相同的光脉冲，这两个光脉冲被第一调相器(A)进行调制编码，第一调相器(A)向这两个光脉冲中前一个光脉冲加载的调制电信号的幅值为N，向这两个光脉冲中后一个光脉冲加载的调制电信号的幅值为-N；调制后的这两个光脉冲经过信道被传输至接收端；所述接收端的第二调相器(B)对这两个光脉冲进行调制解码，解码后的这两个光脉冲进入第二不等臂干涉环(b)，发生干涉后输出被探测器探测。

3.根据权利要求2所述的高速低电压相位调制方法，其特征在于，所述第一不等臂干涉环(a)和第二不等臂干涉环(b)是配对的，一个周期T内，所述光源发出一个光脉冲，经第一不等臂干涉环(a)后变成两个相同的光脉冲，这两个相同的光脉冲先经过第一调相器(A)被调制编码，然后再经过第二调相器(B)被调制解码，接着进入经第二不等臂干涉环(b)发生干涉分成三个光脉冲，这三个光脉冲从第二不等臂干涉环(b)的两个互补的干涉输出口输出至探测器，这三个光脉冲中中间位置的脉冲是干涉峰，探测器的探测门设定在干涉峰位置进行探测。