CN105024809B - 基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，包括：步骤A：连续变量初始密钥分发步骤，是指利用发送方Alice通过相干态进行高斯调制并经过光纤信道进行远距离传输后由接收方Bob进行解调检测，获得初始连续密钥数据；步骤B：是指利用数据后处理算法对获得的初始连续密钥数据进行预处理、纠错及保密增强，获取最终安全二进制比特密钥。本发明可以将基于高斯调制相干态的CVQKD系统的安全通信距离延长到100‑150km。
Description
技术领域
本发明涉及量子密钥分发，具体地，涉及基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，尤其是一种通过优化CVQKD系统的过噪声控制、零差检测及数据后处理来实现长距离CVQKD通信的技术。
背景技术
自从1999年学术界首次提出利用连续变量来进行量子通信以来，国内外众多学者提出了许多连续变量量子保密通信协议，尤其是CVQKD(连续变量量子密钥分发)引起了人们的极大关注。CVQKD可以让分隔两地的通信双方，Alice和Bob，通过量子信道和经过认证的经典信道获得密钥。和DVQKD(离散变量量子密钥分发)不一样，在CVQKD协议中，Alice利用高斯调制将信息调制在光场的正则分量上，Bob可利用高效率的Homodyne或Heterodyne检测器提取密钥信息。在分发密钥渐近极限下，CVQKD能抵抗任意集体攻击和相干攻击，这是由于在渐近极限下，相干攻击被证明和集体攻击能力一致。而且在分发密钥有限情况下，高斯调制相干态CVQKD方案也被证明具有无条件安全性，能抵御集体及相干攻击。因为不需要单光子信源和单光子检测器，且连续调制具有更大信道容量，其与传统光信号也具有较好的融合性，所以CVQKD在这些方面较DVQKD更具发展优势。
然而CVQKD只是在短距离下(30km以下)密钥速率表现良好，在长距离通信上速率很低，且安全通信距离比DVQKD短很多。从信息论角度看，一个原因是DVQKD在集体攻击下的安全码率计算依赖于误码率的估算，而CVQKD中安全码率的估算来自于对信号量子态的协方差矩阵的评估，协方差矩阵不仅受信道传输率的影响，而且对信道过噪声异常敏感。还有一个原因是由于检测器灵敏度的原因，调制方差不能选用太小，从而调制方差不能使用最优值从而影响安全传输距离。最后一个重要原因是因为CVQKD解码得到的是连续数据而不是二进制数值，目前不存在低信噪比下针对连续数据的高效密钥协商算法，这从很大程度上限制了安全传输距离。
为了实现长距离CVQKD，有人提出离散调制方式并利用高效的离散协商提高传输距离，但这个方法需要引入诱骗态才能保证其安全性，诱骗态的制备是一个极难的问题。另外，研究者们还提出利用相位敏感放大器、相位非敏感光放大器或无噪放大器提高系统信噪比，从而改善安全通信距离的方案。然而这些方法的提升效果有限或者实验难以实现。
为了解决上述问题，我们提出了一种基于高斯调制相干态的长距离CVQKD技术，通过引入高效率多维协商算法、适合长距离通信的低噪Homodyne检测器以及基于数据后处理的相位补偿。值得注意的是：这里引入的高效率多维协商算法、低噪Homodyne检测器以及基于数据后处理的相位补偿并不是简单的叠加，而是基于CVQKD系统的综合考虑和技术瓶颈的突破。国际上至今都没有报道超过100km光纤传输距离的CVQKD实验系统，其基本瓶颈在两个方面，一个是初始密钥分发阶段中光路编解码模块对相干光信号的噪声抑制以及对极弱信号的检测；另一个是数据后处理阶段对初始密钥的高效协商。前者是因为长距离会引入更多的过噪声，包括强本振光的泄露，偏振及相位漂移，而且经过长距离传输后信号光会衰弱到难以检测；后者是在长距离传输下信噪比将会极低，而极低信噪比下的高效协商是一个难题。
总之，为实现长距离CVQKD不是简单的模块叠加，不仅需要考虑前端初始密钥分发阶段对过噪声进行抑制及对弱信号进行有效提取，还需要考虑后端在经过长距离传输后选择低信噪比下的高效数据协商算法。我们引入的低噪Homodyne检测器及基于数据后处理的相位补偿一方面抑制CVQKD系统额外过噪声，另一方面实现弱信号的检测；而引入高效率多维协商算法是为了后处理过程中的提取更多最终密钥信息，从而最终可实现标准单模光纤下安全传输距离为100-150km的连续变量量子密钥分发。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于高斯调制相干态的长距离CVQKD方法，是一种通过引入高效率数据协商算法、适合长距离通信的低噪Homodyne检测器以及高精度相位补偿算法，提高CVQKD系统对过噪声抑制能力及后处理效率，实现标准单模光纤下安全传输距离为100-150km的连续变量量子密钥分发的方法。
根据本发明提供的一种基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：
步骤A：连续变量初始密钥分发步骤，具体为：初始连续密钥数据利用发送方Alice通过相干态进行高斯调制并经过光纤信道进行传输后由接收方Bob进行解调检测，获得初始连续密钥数据；
步骤B：连续数据后处理步骤，具体为：Bob对获得的初始连续密钥数据进行预处理、纠错及保密增强，获取最终安全二进制比特密钥。
优选地，所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1：发送方Alice及接收方Bob对CVQKD系统进行通信初始化，包括对CVQKD系统中的信源、随机数源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化；
步骤A2：Alice端光分束器将相干光源分为信号光和本振光，并对信号光进行相位调制及幅度调制，通过时分及偏振复用将调制的信号光及本振光一起发送给Bob；
步骤A3：Bob通过时间及偏振的解复用，并对收到信号进行偏振补偿，最后Bob利用低噪Homodyne检测器随机测量接收到的信号光的正则位置X或正则动量P的值。
优选地，所述低噪Homodyne检测器的检测过程为：通过对信号光的相位进行0度或90度的调制，与本振光输入50:50的分束器两个接口后，随后接入标定的Homodyne检测器进行检测。
优选地，所述步骤A2包括如下步骤：
步骤A2.1：Alice通过相位及幅度调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光服从一个均值为零的，方差为VA的高斯分布；其中，VA的取值范围为大于0且小于100；
步骤A2.2：Alice将信号光及本振光通过同一个光纤发送给Bob。
优选地，所述步骤B包括如下步骤：
步骤B1：Bob和Alice进行初始连续密钥数据的数据预处理，并进行基于数据后处理的相位补偿；
步骤B2：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B3：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B4：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。
优选地，在Alice与Bob的光路中设置有隔离器及光检测器PD以监控本振光光强。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的方法可以将基于高斯调制相干态的CVQKD的安全通信距离延长到100-150km，这是国际上目前最长的距离。
2、所述步骤A通过高灵敏度检测器可实现极低本振光下的信号检测，有效降低本振光泄露引入的过噪声。
3、所述的步骤B基于数据后处理的高精度相位补偿算法将相位抖动引入的过噪声降到了极低点。
4、所述的步骤B基于LDPC的多维数据协商算法具有很高的协商效率。
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为基于高斯调制相干态的长距离CVQKD系统流程图及光路原理图。
图2为基于高斯调制相干态的长距离CVQKD技术光路原理图，图中：CW laser为连续激光器，AM为强度调制器，PM为相位调制器，PD为光检测器
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明公开一种基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：
步骤A：连续变量初始密钥分发步骤，具体为：利用发送方Alice通过相干态进行高斯调制并经过光纤信道进行远距离传输后由接收方Bob进行解调检测，获得初始连续密钥数据；
步骤B：连续数据后处理步骤，具体为：利用数据后处理算法对获得的初始连续密钥数据进行预处理、纠错及保密增强，获取最终安全二进制比特密钥；
所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1：发送方Alice及接收方Bob对CVQKD系统进行通信初始化，包括对CVQKD系统中的信源、随机数源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化；
步骤A2：Alice端光分束器将相干光源分为信号光和本振光，并对信号光进行相位调制及幅度调制，通过时分及偏振复用将调制的信号光及本振光一起发送给Bob；
步骤A3：Bob通过时间及偏振的解复用，并对收到信号进行偏振补偿，最后Bob利用低噪Homodyne检测器随机测量接收到的信号光的正则位置X或正则动量P的值；
其中，所述低噪Homodyne检测器的检测过程为：通过对信号光的相位进行0度或90度的调制，与本振光输入50:50的分束器两个接口后，随后接入标定的Homodyne检测器进行检测；
所述低噪Homodyne检测器为现有技术，例如，本领域技术人员可以通过学习论文文献“Duan Huang,Erhu Han,Weiqi Liu,Dakai Lin,ChaoWang,Peng Huang,Guihua Zeng，Experimental realization of a photon-number-resolving homodyne detector,Conference on Lasers and Electro-Optics(ClEO:2014)，8-13June 2014，美国圣何塞”实现所述低噪Homodyne检测器，在该文献中，“低噪Homodyne检测器”被称为为“photon-number-resolving homodyne”。
所述标定的Homodyne检测器为现有技术，例如Thorlabs公司的产品PDB450C等。
所述步骤B包括如下步骤：
步骤B1：Bob和Alice进行初始连续密钥数据的数据预处理，并进行基于数据后处理的相位补偿；
其中，所述基于数据后处理的相位补偿，本领域技术人员可以通过学习现有技术予以实现，例如可以参照中国发明专利文献公开的“量子密钥分发系统相位补偿方法”(申请号201410567665.0，公开号CN104301101A)实现所述基于数据后处理的相位补偿，在该专利文献中，“基于数据后处理的相位补偿”被称为“量子密钥分发系统相位补偿”。
步骤B2：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B3：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；
其中，所述基于LDPC编码的高效率多维协商算法为现有技术，本领域技术人员可以通过学习现有技术实现所述基于LDPC编码的高效率多维协商算法，例如学习论文“A.Leverrier,et al,Multidimensional reconciliation for a continuous-variablequantum key distribution.Phys.Rev.A 77(4),042325(2008).”，在该论文文献中，“基于LDPC编码的高效率多维协商算法”被称为“Multidimensional reconciliation”。
步骤B4：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。所述计算的方法为公知技术，例如本领域技术人员可以参照论文“Weedbrook,C.et al.Gaussian quantum information.Rev.Mod.Phys.84,621(2012).”实现所述计算。
所述步骤A2包括如下步骤：
步骤A2.1：Alice通过相位及幅度调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光服从一个均值为零的，方差为VA的高斯分布；
其中，VA的取值范围为大于0且小于100。
步骤A2.2：Alice将信号光及本振光通过同一个光纤发送给Bob；
在Alice与Bob的光路中设置有隔离器及光检测器PD以监控本振光光强。
在一个优选的具体实施方式中：
首先Alice及Bob对CVQKD系统进行通信初始化，包括信源、随机数源、编解码器、检测器及控制电路的初始化。发送端Alice通过一个高消光比强度调制器(AM)对连续激光进行切割产生2MHz的脉冲信号，并通过一个非对称Mach-Zehnder干涉仪将光路分成本振光路及信号光路。在信号光路，Alice通过相位及幅度调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光服从一个均值为零的，方差为VA的高斯分布。随后Alice通过偏振及时间复用技术，将信号光及本振光通过同一个光纤发送给Bob。
在接收端，Bob首先通过动态偏振控器(DPC)进行偏振反馈控制，随后进行偏振和时间解复用，并通过低噪Homodyne检测器随机选择测量分量X和P。在该实验方案中，为了防止特洛伊木马攻击、本振光波动攻击及散粒噪声方差标度攻击，光路中加入了一些隔离器及PD用于监控本振光光强。系统还可以通过添加滤波器等器件实现其他攻击的防御，如使用滤波片防御波长攻击。
该长距离CVQKD方案之所以能达到100km以上的传输距离，第一个重要原因是系统使用了低噪Homodyne检测器，有效地实现了长距离通信下的弱信号的检测，并可以允许在低本振光下进行弱信号检测，更进一步地降低了本振光泄露引入的过噪声；第二个重要原因是并通过偏振反馈控制以及基于数据后处理的相位补偿技术对过噪声进行了有效控制，使得偏振抖动和相位抖动引入的过噪声降到了很低的水平；第三个重要原因是使用了高效率的数据协商算法，即基于LDPC编码的高效率多维协商算法，可极大地提高系统纠错效率，从而提升安全传输距离。
以下具体分析低噪Homodyne检测器及基于数据后处理的相位补偿算法对CVQKD系统引入过噪声的抑制。
首先考虑低噪Homodyne检测器的使用对过噪声的抑制。由于系统中光学器件具有一定的消光比Re，因此使用高强度的本振光将会由于有限的消光比引入额外的过噪声εLE，可表示为
其中为Alice端的本振光强，Re为编解码光路器件的等效消光比。我们可以评估出系统中所有光器件的等效消光比约为100dB。为实现100-150km的光纤传输(0.2dB/km损耗)，系统过噪声需要控制在0.01左右，因此需要Alice端本振光每个脉冲包含为108-109个光子，这导致在Bob端检测时本振光强下降为每个脉冲105个光子左右，而低噪检测器可以在低本振光的时候实现对弱信号的检测，有效降低由于本振光过强而泄露引入的过噪声。
为了理解Bob端本振光强对检测器在长距离传输中的限制作用，我们可以从以下思路进行考虑。首先考虑散粒噪声对电噪声的比值S(简称噪声比S)
S＝10log(N0/υel) (2)
其中，N0表示散粒噪声方差，υel表示Homodyne检测器电噪声；
保证检测器运行的必要条件即是使得式(2)大于零，其中散粒噪声方差等效到Alice端可以计算为
其中，L为光纤信道长度，ηLO为Bob端的本振光传输率，g为电放大因子，ηhom表示Homodyne检测器量子效率，为真空抖动。根据式(2)及式(3)，可以看出平衡零差检测器达到散粒噪声极限情况下需要相对很低的电噪声和Bob端足够大的LO光强，但LO光强由过噪声所限定，其中，LO即本振光。为了达到这个要求，我们利用了具有极低电噪声的平衡零差检测器(balanced homodyne detector)，即低噪Homodyne检测器，其检测的量子效率为0.6，最大噪声比S在30dB，19dB，8dB下对应的本振光强分别为每脉冲107，106及105个光子。因此，当Alice端本振光强为每脉冲108个光子时，且光路的消光比为100dB时，依然可以达到8dB的噪声比，并可将过噪声有效控制在0.01以内，达到了100-150km连续变量量子密钥分配实验的噪声容限。
其次，为了控制由于相位漂移引入的过噪声，我们引入一个基于数据后处理的相位补偿算法，该相位补偿算法在合法通信方获取初始密钥数据以后，在进行数据协商之前，定义基于数据后处理的相位补偿算法误差为δθ。实际上要实现长距离的CVQKD，高精度的相位补偿算法是必须的。假设一帧数据中的相位漂移φ可表示为
φ＝φ0+△φ (4)
其中，φ0为相对相位偏差，可认为在一帧数据的传输中为常量值，可以通过相位补偿算法进行补偿，而△φ＝φmax-φmin表示这一帧数据在传输时的偏差抖动，其中，φmax表示相位抖动最大值，φmin表示相位抖动的最小值。为实现有效地相位补偿，必须使得
△φ≤δθ (5)
通过计算可以评估出由于相位补偿不完善引入的过噪声εphase为
εphase＝(1-κ)(εc+VA)/κ, (6)
其中，κ＝(E[cosδθ])2，E[cosδθ]表示cosδθ的期望，εc为信道的过噪声。根据式(6)，当信道的过噪声为0.01，调制方差为4时，可计算得到为引入的过噪声在0.01或0.001所需要的最小相位补偿精度分别为每帧2.9度及0.9度，因此要求每帧的相位漂移小于2.9或者0.9度。而通过测试发现在引入该高精度相位补偿算法后，其相位的漂移最多在0.1度，说明该相位补偿精度最大达到0.1度。通过以上分析可以看出基于数据后处理的相位补偿算法可以很好的满足100-150km距离CVQKD的实现。
在又一个优选的具体实施方式中，所述基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，具体步骤如下：
(1)连续变量初始密钥分发阶段：首先发送方Alice通过高消光比调制器和连续光源产生脉冲相干光源，并将光分为弱的信号光源和本振光。随后Alice编码一串高斯随机数在信号光上，将编码后的相干态信号光作为信号态，并和本振光信号一起通过时分复用和偏振复用发送至Bob端。Bob对收到的信号态首先进行偏振补偿，随后利用低噪Homodyne检测器进行检测，获得初始信息。
(2)连续数据后处理：Bob首先对获得的初始信息和Alice一起进行测量基的筛选，随后对筛选数据进行预处理，补偿信道过程中的相位漂移。随后利用高效率协商算法进行数据协商，最后通过保密增强输出二进制比特串。
通过以上过程，可以将偏振、相位抖动以及本振光泄露引入的过噪声降到长距离通信的安全限以下，并可利用低噪检测器检测出弱光信号，最终实现在100-150km长的标准单模光纤信道下的连续变量量子密钥分发。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (5)
1.一种基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：连续变量初始密钥分发步骤，具体为：初始连续密钥数据利用发送方Alice通过相干态进行高斯调制并经过光纤信道进行传输后由接收方Bob进行解调检测，获得初始连续密钥数据；
步骤B：连续数据后处理步骤，具体为：Bob对获得的初始连续密钥数据进行预处理、纠错及保密增强，获取最终安全二进制比特密钥；
所述步骤B包括如下步骤：
步骤B1：Bob和Alice进行初始连续密钥数据的数据预处理，并进行基于数据后处理的相位补偿；
步骤B2：Alice和Bob公布部分初始连续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B3：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B4：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。
2.根据权利要求1所述的基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1：发送方Alice及接收方Bob对CVQKD系统进行通信初始化，包括对CVQKD系统中的信源、随机数源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化；
步骤A2：Alice端光分束器将相干光源分为信号光和本振光，并对信号光进行相位调制及幅度调制，通过时分及偏振复用将调制的信号光及本振光一起发送给Bob；
步骤A3：Bob通过时分及偏振的解复用，并对收到信号进行偏振补偿，最后Bob利用低噪Homodyne检测器随机测量接收到的信号光的正则位置X或正则动量P的值。
3.根据权利要求2所述的基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述低噪Homodyne检测器的检测过程为：通过对信号光的相位进行0度或90度的调制，与本振光输入50:50的分束器两个接口后，随后接入标定的低噪Homodyne检测器进行检测。
4.根据权利要求2所述的基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤A2包括如下步骤：
步骤A2.1：Alice通过相位及幅度调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光服从一个均值为零的，方差为VA的高斯分布；其中，VA的取值范围为大于0且小于100；
步骤A2.2：Alice将信号光及本振光通过同一个光纤发送给Bob。
5.根据权利要求1所述的基于高斯调制相干态的长距离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以监控本振光光强。
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