CN104301101B - 一种量子密钥分发系统相位补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种量子密钥分发系统相位补偿方法，包括：步骤A：相位估计步骤，利用求互相关方式计算相位漂移的角度；步骤B：相位补偿步骤，根据所估计的相位漂移值，对数据进行相位补偿。本发明方法中，相位估计步骤只需要对接收数据进行简单的数学统计，计算简便；相位补偿步骤在发送端进行，整个补偿过程只需要接收端将相位漂移值发回发送端，对数据的安全性不会造成影响；基于数据层面的相位补偿，而非传统的基于信号的硬件补偿，可通过在传统量子密钥分发系统的平台上添加少量软件功能和通信接口实现。

Description

一种量子密钥分发系统相位补偿方法

技术领域

本发明涉及的是计算机信息技术，具体是一种量子密钥分发系统中的相位补偿方法。

背景技术

在计算机信息技术迅速发展的背景下，信息技术对信息安全性的要求日益增加。近年来，连续变量量子密钥分发技术引起了广泛关注，因为其既能在物理上保证通信的无条件安全性，又相比与离散变量量子密钥分发技术具有更高的通信速率和效率的前景。目前连续变量量子密钥分发吸引了世界上许多研究机构对其理论和应用技术进行了深入的研究。连续变量量子密码通信(CV-QKD，Continuous Variable Quantum KeyDistribution)因其具有物理的无条件安全性而成为通信技术的一个重要分支。然而，由于光纤和光器件特性，光信号在长距离通信过程中光信号被大幅度衰减，而且接收数据和发送数据之间会存在一个随机的相位差，导致信噪比极低，而且相位差的存在将导致后续的密钥协商无法进行，因此需要在协商之前对数据进行相位补偿。

传统的解决方法是使用“反馈式相位补偿算法”，即通过在发送数据中添加一段训练帧，具体为：在相位调制器上调制一个扫频信号,在接收端通过观测该扫频电压的相位来计算相位差。但是这种方法只适合于信噪比远大于1的情况,在信噪比接近1时,由于难以寻找正弦波峰值,对相位的估计也将十分不准确,而在信噪比小于1的情况下,这种方法将基本无法工作。同时，反馈式相位补偿方案需要将估计的相位实时补偿至接收端相位调制器中，这不仅增加了系统的硬件复杂度和成本，同时也更容易引入附加的噪声。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种量子密钥分发系统相位补偿方法，为了在更低的信噪比条件下得到数据的相位漂移角度，并且在最大程度上简化系统硬件设计、节约总体成本，本发明公开的基于接收数据统计特性的相位补偿方法，通过在发送数据中添加少量训练帧，并分析接收数据相应数据段的统计特性，便可以在低信噪比条件下精确估计相位漂移角度，从而保证了系统在长距离通信时能够顺利协商密钥。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种量子密钥分发系统相位补偿方法，包括步骤如下：

步骤A:相位估计步骤；

步骤B:相位补偿步骤；

其中：

所述相位估计步骤，是指利用求互相关方式计算相位漂移的角度；

所述相位补偿步骤，是指根据所估计的相位漂移值，对数据进行相位补偿。

优选地，所述步骤A包括如下步骤：

步骤A1：将发送数据与经过加性高斯信道的接收数据进行数据对齐；

步骤A2：计算对齐后数据的互相关值；

步骤A3：根据两组数据的互相关值以及发送数据的方差计算相位漂移值。

所述数据对齐的过程为：通过对数据帧帧格式的识别，将发送数据与接收数据按位对齐。

所述步骤B包括如下步骤：

步骤B1：将估计得到的相位漂移值发送至信源端；

步骤B2：信源端根据原始数据的幅度信息和相位信息，重新构造补偿后的数据。

所述步骤A仅通过对接收数据进行数学分析从而计算出相位漂移值。

发送端发送一段随机变量到接收端，发送的数据帧中除物理层通信所需的帧同步、位同步段外，再添加一段事先由发送端和接收端共享的公开的相位补偿数据，接收端接收到连续变量后提取其中用于相位补偿的数据帧，由于这段用于相位补偿的数据的幅度信息和相位信息是公开的，接收端利用公开的幅度信息和相位信息构造一组和发送端的相位补偿数据完全相同的用于相位补偿的数据，通过求这两段数据的互相关值计算相位漂移值。

在系统后处理程序中，在进行数据协商前添加一个软件接口，将接收端计算出的相位漂移值通过信道发送至发送端，相应的，在发送端的程序中添加一个接收该相位漂移值的接口，并利用发送端保存的数据帧数据的幅值和相位信息重新构造发送端的连续变量，使用此时生成的连续变量继续调用系统后处理程序中的量子协商程序进行数据协商、提取密钥。

本发明方法在估计相位漂移值时只需要对数据进行分析，无需硬件配合。利用信号的统计特性计算相位漂移值。补偿相位在原始数据中进行，并非对接收数据进行相位补偿。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、相位估计步骤只需要对接收数据进行简单的数学统计，不仅计算简便，而且相比于传统的相位补偿技术具有更高的相位估计精度，能够在更恶劣的信道条件中实现高精度的相位估计。

2、相位补偿步骤在发送端进行，整个补偿过程只需要接收端将相位漂移值发回发送端，对于数据的安全性不会造成影响。

3、本发明方法通过对接收数据进行统计分析从而求出数据的相位漂移角度，并且对计算得到的相位漂移角度在发送端进行补偿。是一种通过对原始发送数据和接收数据进行数据分析从而计算信道相位漂移值的方法，并通过后续的相位补偿消除发送数据和接收数据之间的相位差异。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明为相位估计和相位补偿的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

对发送数据和接收数据的统计模型进行分析，在连续变量量子密钥分发系统中，Alice(发送方)发送的量子态是服从高斯调制的，即量子态的位置和动量均服从高斯分布。发送端通过在幅度调制器AM上加载服从瑞利分布的信号并在相位调制器PM上加载均匀分布的信号使发送的数据服从高斯分布。因此，假设发送的连续变量为X～N(0,σ_A ²)，则X可以用表达式X＝R·cos(θ)来表示，其中R为服从瑞利分布的随机变量，θ为服从均匀分布的随机变量。

经过信道传输后，信道造成的相位漂移以及噪声都会使X发生改变。假设信道引起的相位漂移角度为噪声为ε～N(0,σ_ε ²)，则Alice发送的连续变量X和Bob(接收方)收到的连续变量表达式分别为：

在进行后续的数据协商时，由于协商算法仅能从叠加了加性高斯白噪声的信号中恢复原始信号，因此的存在会导致数据协商无法进行，从而无法获取密钥。

如图1所示，本发明所提供的量子密钥分发系统相位补偿方法，具体步骤如下：

(1)量子系统传输连续变量阶段：首先由量子密钥分发系统从Alice端发送一段随机变量至Bob端。发送的数据帧中除物理层通信所需的帧同步、位同步段外，再添加一段一段相位补偿数据X_T(即发送方和接收方都知道其内容的确定数据，这段用于相位补偿的数据将不会被用来提取密钥)。

(2)相位估计阶段：经过信道传输后，Bob端接收到连续变量后提取其中用于相位补偿的数据帧Y_T。由于这段用于相位补偿的数据的幅度信息和相位信息时公开的，Bob可以利用公开的幅度信息和相位信息构造一组和Alice端的X_T完全相同的用于相位补偿的数据。然后通过求这两段数据的互相关值计算出相位漂移值。该过程可使用C语言、Matlab语言或其它语言实现。

Bob接收到数据后，先提取测试帧数据Y_T，并计算X_T·Y_T的数学期望：

由于θ、R、ε是相互独立的变量，因此可以对上式分别计算数学期望，可将上式写成：

又由于ε是均值为0的高斯白噪声，而且cos(θ)的数学期望为0(θ为0～2π的均匀分布)。因此：

E{R·ε·cosθ}＝E{R}·E{ε}·E{cosθ}≈0 (4)

故原式为：

从上式可以看出，通过对接收数据和发送数据进行统计上的分析，可以基本消除噪声对参数估计的影响，从中我们可以得出相位漂移角度和信号方差V_A的联合函数。由于V_A已知，因此便可以计算出的值。

(3)相位补偿阶段：在原系统的后处理程序中，在进行数据协商前添加一个软件接口，将Bob计算出的相位漂移值通过公开的经典信道发送至Alice端。相应的，在Alice端的程序中添加一个接收该相位漂移值的接口，并利用Alice端保存的数据帧数据的幅值和相位信息重新构造Alice端的连续变量，使用此时生成的连续变量就可以继续调用原后处理程序中的量子协商程序进行数据协商、提取密钥了。

通过以上过程，可以在极大程度上减小由信道带来的相位漂移对量子密钥分发系统的影响，并能够最终成功协商出密钥。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种量子密钥分发系统相位补偿方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤A：相位估计步骤，是指对接收数据利用求互相关方式计算相位漂移的角度；

步骤B：相位补偿步骤，是指根据步骤A所估计的相位漂移值，对数据进行相位补偿，包括：

步骤B1：将估计得到的相位漂移值发送至信源端；

步骤B2：信源端根据原始数据的幅度信息和相位信息，重新构造补偿后的数据。

2.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统相位补偿方法，其特征在于，所述步骤A包括如下步骤：

步骤A1：将发送数据与经过加性高斯信道的接收数据进行数据对齐；

步骤A2：计算对齐后数据的互相关值；

步骤A3：根据两组数据的互相关值以及发送数据的方差计算相位漂移值。

3.根据权利要求2所述的量子密钥分发系统相位补偿方法，其特征在于，所述数据对齐的过程为：通过对数据帧帧格式的识别，将发送数据与接收数据按位对齐。

4.根据权利要求2所述的量子密钥分发系统相位补偿方法，其特征在于，所述步骤A仅通过对接收数据进行数学分析从而计算出相位漂移值。

5.根据权利要求4所述的量子密钥分发系统相位补偿方法，其特征在于，发送端发送一段随机变量到接收端，发送的数据帧中除物理层通信所需的帧同步、位同步段外，再添加一段事先由发送端和接收端共享的公开的相位补偿数据，接收端接收到连续变量后提取其中用于相位补偿的数据帧，由于这段用于相位补偿的数据的幅度信息和相位信息是公开的，接收端利用公开的幅度信息和相位信息构造一组和发送端的相位补偿数据完全相同的用于相位补偿的数据，通过求这两段数据的互相关值计算相位漂移值。

6.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统相位补偿方法，其特征在于，在系统后处理程序中，在进行数据协商前添加一个软件接口，将接收端计算出的相位漂移值通过信道发送至发送端，相应的，在发送端的程序中添加一个接收该相位漂移值的接口，并利用发送端保存的数据帧数据的幅值和相位信息重新构造发送端的连续变量，使用此时生成的连续变量继续调用系统后处理程序中的量子协商程序进行数据协商、提取密钥。