CN106850217B - 一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，所述分发方法包括在发送端内，信号光场经过第一振幅调制器和第一信号调整装置后与参考光场传输至光纤合束器，通过量子传输信道传输至接收端；通过第一数据处理装置产生第一调制电压并加载在第一振幅调制器上；在接收端内，量子信号经过第二信号调整装置和光纤分束器后分离；分离后的参考光场经过第三信号调整装置和相位调制器后与分离后的信号光场传输至测量装置；通过第二数据处理装置产生反馈电压、第二调制电压，并加载在相位调制器上，对信号光场和参考光场的相对相位锁定。通过设置一对振幅调制器和相位调制器就能够完成信号振幅的调制与相位的锁定，可简化装置结构，降低生产成本。

Description

一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，特别是涉及一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法。

背景技术

量子密钥分发是实现量子保密通信的一种方式，该通信方式可确保信息在传输过程中不被第三方窃听，其安全特性基于量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理。量子密钥分发目前主要可分为连续变量和离散变量两个方向。连续变量量子密钥分发具有与经典光通信技术兼容性较好的特点，随着科技人员的不懈努力，近十几年发展十分迅速，目前也已进入商业化领域。

为了促进量子密钥分发的广泛应用，对相关技术进行简化是目前的主要趋势之一。技术的简化在保证不降低通信安全性的前提下，能够降低系统成本、减小装置的体积、降低数据处理的复杂度和数据处理量，可有效地增强系统的实用性。

在连续变量领域，目前理论上已有相关的简化方案的提出，如一维调制方案。主要包括非高斯调制的二态调制方案―Phys.Rev.A 79,012307,2009”以及高斯调制的一维高斯调制方案―Phys.Rev.A 92,062337,2015”。

一维方案在保证系统安全性的同时，简化了数据的调制方式。通常的二维量子密钥分发中，实现的是X和Y具有相同的分布(简称对称分布)，发送端的信号光路中需要振幅调制器(AM)和相位调制器(PM)两个调制器，接收端的参考光路中需要一个相位调制器。

在连续变量量子密钥分发方案中，已有原理性实验通过单个相位调制器实现了一维高斯调制分布，见文献―Quant.Inf.Comput.16,1081–1095,2016”。然而在实用性更强的脉冲光系列的连续变量量子密钥分发实验中，按照之前的两维对称调制方法，在发送端只有一个调制器的情况下，无法实现一维方案所述的一维高斯分布，也无法对量子态传输过程中的相对相位进行锁定，详细说明如下。

两维调制方案中，基于MZ干涉原理的振幅调制器用于实现光场量子态在相空间中的径向χ²(2)分布，该径向分布的一个端点是相空间中的原点，另一个端点取决于光场量子态的最大强度，如图3所示的R线段或-R线段；相位调制器用于调制相角θ。图3给出了一维高斯调制下相空间中正交分量的分布状况，图3中(a)部分是相位锁定在θ时的情况；(b)部分是相位锁定后分布于正交振幅的情况，对应与θ＝0^o；(c)部分是相位锁定后分布于正交相位的情况,对应与θ＝90^o。按照上述调制方法，如果要实现一维高斯分布，发送端需要同时具有振幅调制器和相位调制器，单个相位调制器无法实现光场量子态的径向分布，单个振幅调制器无法实现光场量子态在R和-R间的切换，即无法实现θ+0,θ+π的相位调制，两器件联合调制才可将一系列的相干态调制成图3所示的一维高斯分布状态。

为了完成脉冲光系列的连续变量量子密钥分发中相对相位的锁定，两端需各具有一个相位调制器，且部分脉冲用于相对相位的锁定。通常将这部分脉冲称之为测试脉冲，另一部分用于传输信息的脉冲称为数字脉冲。在发送端的振幅调制器和相位调制器将用于锁定相位的测试脉冲分别均匀地调制在ψ₁，ψ₂，ψ₃三种状态，如图5所示，θ为信号光场相对于参考光场的相位。相空间中三种量子态的振幅的模均为A，彼此间相位相差2π/3。接收端利用测试脉冲的正交振幅值计算出当前的相对相位，计算过程见公式(1)和公式(2)所示。为了克服量子噪声的影响并获得精确的计算结果，需多次测量各量子态的正交振幅并求平均值。

计算出相对相位后，采用补偿的方法对当前的相对相位进行锁定，即在接收端参考光路的相位调制器上施加反馈电压从而将信号光的相位锁定在δ处，当δ＝0时，相对相位为0，δ＝π/2时，相对相位为π/2。以相对相位锁在0相位为例，此时计算出的相位值与反馈电压值的关系为：

经分析后补偿算法为数字PID反馈算法中的比例项，没有积分和微分项，因此该项无法消除锁定中的稳态误差。

因此，在脉冲光系列的连续变量量子密钥分发实验中，无法通过单个调制器实现光场量子态在相空间中的一维高斯分布，而调制电压只在[-V_π,0]或[0,V_π]区间变化，改变调制电压的大小只改变输出光场的振幅，无法改变相位，即光场量子态只能在图4中的R或-R线段移动，无法进行相对相位的锁定，也无法消除锁定项中的稳态误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，可简化装置结构，并实现相对相位的锁定。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，所述分发方法包括：

在发送端内，通过脉冲产生装置产生信号光场和参考光场；所述信号光场经过第一振幅调制器和第一信号调整装置后与所述参考光场分别传输至光纤合束器，经过所述光纤合束器合并成一路量子信号，通过量子传输信道传输至接收端；通过第一数据处理装置产生第一调制电压并加载在所述第一振幅调制器上，以调整信号光场的振幅和相位；

在接收端内，所述量子信号经过第二信号调整装置和光纤分束器后分离；分离后的参考光场经过第三信号调整装置和相位调制器后与分离后的信号光场分别传输至测量装置，通过测量装置测量脉冲光场量子态的正交分量；通过第二数据处理装置产生反馈电压、第二调制电压及测量基电压，并加载在所述相位调制器上，使得在所述反馈电压或第二调制电压和反馈电压共同的作用下，对信号光场和参考光场的相对相位锁定，以及对另一维度正交分量的起伏进行随机检测；

测量的正交分量分别在第一数据处理装置和第二数据处理装置中进行数据处理，在发送端和接收端分别获得一组安全量子密钥。

可选的，所述第一数据处理装置产生第一调制电压具体包括：

通过量子随机发生器产生0，1随机码，将所述随机码转换成在(0,1]上均匀分的随机数；

根据所述均匀分布的随机数，采用Box-Muller方法产生高斯分布随机数X，所述高斯分布随机数X服从标准正态分布N(0,1)，对应的概率密度函数为：

满足如下条件：

在±3σ处进行截断，将公式(2)变换为：

所述第一振幅调制器的振幅透射率r的区间为[-1,1]，将Z＝X/3取代X，使得Z与r一一对应，则将公式(3)变换为：

其中Z表示中间变量；

在参考光场和信号光场的相对相位为0时，

根据公式(5)确定加载在所述第一振幅调制器上的第一调制电压为V：

其中，V_max表示最大通光电压。

可选的，所述脉冲产生装置包括光纤激光器、脉冲发生器、两个第二振幅调整器及第一光纤耦合器；其中，

两个所述第二振幅调整器级联在光纤激光器与第一保偏光纤耦合器之间，且分别连接脉冲发生器，用于在所述脉冲发生器发出的脉冲信号的驱动下，对所述光纤激光器发出的激光信号依次进行振幅调整；

所述第一光纤耦合器用于对振幅调整后的激光信号进行分束处理，得到信号光场和参考光场。

可选的，所述第一信号调整装置包括第一保偏光纤和可调光纤衰减器，所述第一振幅调制器、第一保偏光纤、可调光纤衰减器及光纤合束器依次连接。

可选的，所述量子传输信道包括第一单模光纤或由自由空间形成的传输媒介。

可选的，所述第二数据处理装置产生反馈电压、第二调制电压并加载在所述相位调制器上具体包括：在一个相位值测量的全部时间段内，所述反馈电压一直加载在所述相位调制器上；在全部时间段内的测试脉冲时间段内同时加载第二调制电压。

可选的，根据以下公式确定反馈电压V_f(k)：

其中，i，k用于标记数据块，K_p表示比例系数，K_I表示积分系数，K_D表示微分系数，θ表示相对相位，在相对相位锁定的过程中利用第k个数据块计算出的电压需加载在第k+1个数据块上；

根据以下公式确定第一调制电压：

V₁＝V_f+V_0π/3,V₂＝V_f+V_2π/3,V₃＝V_f+V_4π/3或V₃＝V_f+V_-2π/3； (8)

其中，V_f表示反馈电压，V_0π/3表示相位角为0时的相位电压，V₁表示对应0相位角时的第一调制电压，V_2π/3表示相位角为2π/3时的相位电压，V₂表示对应2π/3相位角的第一调制电压，V_-2π/3表示相位角为-2π/3时的相位电压，V_4π/3表示相位角为4π/3时的相位电压，V₃表示对应-2π/3或4π/3相位角的第一调制电压；

另一维度的测量基电压V_R的计算公式为：

其中V_π/2表示相位角为π/2时的相位电压。

可选的，所述第二信号调整装置包括单模光纤耦合器、第一探测器、高速比较器、延时器、动态偏振控制器、第二保偏耦合器及第二探测器；其中，

所述量子传输信道、单模光纤耦合器、第一探测器、高速比较器、延时器及第二数据处理装置依次连接，用于完成时钟的恢复与同步；

第二保偏耦合器设置在光纤分束器和第三信号调整装置之间，所述第二保偏耦合器、第二探测器、第二数据处理装置依次连接，所述动态偏正控制器分别连接所述单模光纤耦合器、第二数据处理装置及光纤分束器，用于完成光场偏振的自动控制。

可选的，所述测量装置包括：

50/50偏振分束耦合器，分别与光纤分束器和相位调制器连接，用于将所述信号光场和参考光场进行偏振、耦合处理；

时域脉冲平衡零拍探测器，与所述偏振耦合器连接，用于测量信号光场的正交分量。

可选的，所述测量的正交分量分别在第一数据处理装置和第二数据处理装置中进行数据处理具体包括：对测量的正交分量依次进行参数分析、数据协调和私密放大。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实现一维调制连续变量量子密钥分发方法通过设置第一振幅调制器在所述第一调制电压的作用下，对所述测量光场进行振幅调制，得到在相空间中分布于一维正交分量的调制测量光场，该分布可以是二态分布或高斯分布；通过设置一对振幅调制器和相位调制器就能够完成信号的调制与相位的锁定，简化了装置结构，降低了生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例实现一维调制连续变量量子密钥分发方法的流程图；

图2为对应本发明实施例实现一维调制连续变量量子密钥分发方法的的模块结构示意图；

图3为一维调制方案的相空间示意图；

图4为测试脉冲的相空间示意图；

图5为第一振幅调制器的原理图；

图6为第一振幅调制器输出光场的振幅E_out与强度I_out随电压的变化曲线图；

图7为反馈电压与测试电压的分布图；

图8为图2中各模块的具体结构示意图；

图9为安全密钥速率随通信距离的变化曲线示意图。

符号说明：

1—脉冲产生装置，100—光纤激光器，101—脉冲发生器，102—第一光纤耦合器，103—第二振幅调制器，2—第一数据处理装置，200—第一量子随机数发生器，201—第一数据采集卡，202—第一计算机，3—第一振幅调制器，4—第一信号调整装置，400—第一保偏光纤，401—可调光纤衰减器，5—光纤合束器，6—量子传输信道，7—第二信号调整装置，71—单模光纤耦合器，72—第一探测器，73—高速比较器及延时器，74—动态偏振控制器，75—第二保偏耦合器，76—第二探测器，8—光纤分束器，9—第二数据处理装置，900—第二量子随机发生器，901—第二数据采集卡，902—第二计算机，10—第三信号调整装置，11—相位调制器，12—测量装置，1201—50/50偏振分束耦合器，1202—时域脉冲平衡零拍探测器，131—第一光电交换机，132—第二光电交换机，133—第二单模光纤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，通过设置第一振幅调制器在所述第一调制电压的作用下，对所述测量光场进行振幅调制，得到在相空间中分布于一维正交分量的调制测量光场，该分布可以是二态分布或高斯分布；通过设置一对振幅调制器和相位调制器就能够完成信号的调制与相位的锁定，简化了装置结构，降低了生产成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明实现一维调制连续变量量子密钥分发方法包括：

步骤100：在发送端内，通过脉冲产生装置1产生信号光场和参考光场；所述信号光场经过第一振幅调制器3和第一信号调整装置4后与所述参考光场分别传输至光纤合束器5，经过所述光纤合束器5合并成一路量子信号，通过量子传输信道6传输至接收端；通过第一数据处理装置2产生第一调制电压并加载在所述第一振幅调制器3上，以调整信号光场的振幅和相位；

步骤200：在接收端内，所述量子信号经过第二信号调整装7和光纤分束器8后分离；分离后的参考光场经过第三信号调整装置10和相位调制器11后与分离后的信号光场分别传输至测量装置12，通过测量装置12测量脉冲光场量子态的正交分量；通过第二数据处理装置9产生反馈电压、第二调制电压及测量基电压，并加载在所述相位调制器11上，使得在所述反馈电压或第二调制电压和反馈电压共同的作用下，对信号光场和参考光场的相对相位锁定，以及对另一维度正交分量的起伏进行随机检测；

步骤300：测量的正交分量分别在第一数据处理装2和第二数据处理装置9中进行数据处理，在发送端和接收端分别获得一组安全量子密钥。

如图8所示，所述脉冲产生装置1包括光纤激光器100、脉冲发生器101、两个第二振幅调制器103及第一光纤耦合器102；两个所述第二振幅调整器103级联在光纤激光器100与第一光纤耦合器102之间，且分别连接脉冲发生器101，用于在所述脉冲发生器101发出的脉冲信号的驱动下，对所述光纤激光器100发出的激光信号依次进行振幅调整；所述第一光纤耦合器102用于对振幅调整后的激光信号进行分束处理，得到信号光场和参考光场。

优选的，所述脉冲产生装置1还包括滤波器，所述滤波器设置在所述光纤激光器100与第二振幅调制器103之间。在本实施例中，所述光纤激光器100为1550nm光纤激光器。在本实施例中，所述第一光纤耦合器102为保偏光纤耦合器，具体为10/90保偏光纤耦合器。所述第一光纤耦合器102也可由光纤分束器替换。

所述脉冲发生器101产生的两路电脉冲信号具有良好的驱动能力，可直接驱动第二振幅调制器103；两路电脉冲均具有独立调节脉宽和延时的功能，调节精度可达1ns。所述脉冲发生器101输出的两路电脉冲接入两个级联的第二振幅调制器103的射频输入端口，可将连续光场调制成脉宽100ns，重复速率为500kHz，消光比达80dB的高消光比脉冲光场；脉冲光场经10/90光纤分束器后分为一路测量光信号和一路参考光信号。

所述第一数据处理装置2包括第一量子随机数发生器200、第一数据采集卡201、第一模拟电压产生器(图中未示出)及计算机202；所述第一量子随机数发生器200用于产生所述一维调制所需的量子随机数；所述第一数据采集卡201与所述脉冲发生器101连接，用于提供第一时钟信号；所述第一模拟电压产生器与所述第一振幅调制器3连接，用于输出第一调制电压；所述第一计算机202分别与所述第一数据采集卡201和第一模拟电压产生器连接，用于根据所述量子随机数确定第一调制电压，并根据所述第一时钟信号，控制所述模拟电压产生器输出对应的第一调制电压并加载到所述第一振幅调制器3上。

所述脉冲发生器101运行时采用第一数据采集卡201提供的时钟信号，可确保在通过光纤合束器5之前的时钟信号的统一。

本发明实现一维调制连续变量量子密钥分发方法主要是利用了第一振幅调制器3的振幅调制特性和相位跃变特性，振幅调制特性可实现量子态在相空间的径向分布(如图3中(a)-(c)部分所示)，即在R或-R上的移动，相位跃变可以实现相位的θ+0，θ+π(θ表示路测量光信号与参考光信号的相对相位)调制，即R和-R的切换。其原理如图5所示，振幅为E_in＝A·e^iΦ的光场进入第一振幅调制器3后等分为两部分，其相位改变量分别是Φ₁和Φ₂，在输出时两束光合为一路，输出振幅E_out如公式13所示。

由于两光路所加电压的极性是相反的，相位的改变量分别是：

φ₁＝αV+Δ₁,φ₂＝-αV+Δ₂ (14)；

其中α、V与电压有关，α为常数。Δ₁,Δ₂是固有的相移，随每个振幅调制器而不同，与电压无关。则所述第一振幅调制器3输出光信号的振幅E_out和强度I_out可通过变换得到：

以输入光信号的振幅的模为归一化单位，即取A＝1。将E_out和I_out的表达式绘制成如图6所示的示意图，图中选取初始化相位为Δ＝απ/2，α的值取为0.25。从图中可以看出第一振幅调制器输出光信号的振幅周期是强度周期的两倍。以强度变化为周期，将强度变化的半波电压记为V_π，振幅变化的半波电压为2V_π。从图中可以看出在强度变化曲线的极小值处，振幅值的相位发生了跳变。本发明实现一维调制连续变量量子密钥分发方法可使电压可在[-V_π,V_π]区间变化，从而可实现光场量子态即可在R线段也可在-R线段移动，主要是利用了电压从[-V_π,0]区间变换到[0,V_π]区间时，相位可由θ+0变换到θ+π，即利用第一振幅调制器3实现了θ+0，θ+π的相位调制。

所述第一数据处理装置产生第一调制电压具体包括以下步骤：

(1)通过第一量子随机数发生器产生0，1随机码，并转换成(0,1]上均匀分布的随机数，然后通过Box-Muller方法产生高斯分布随机数X，服从标准正态分布N(0,1)，其概率密度函数为：

满足如下条件：

产生的第一调制电压数据需要通过第一模拟电压产生器进行输出，而由于实际中的模拟电压产生器件的输出电压是有边界的，因此需对高斯数进行截断。为了获得较高的精度，通常选取±3σ，或±4σ处进行截断，以±3σ为例，公式2可变换为：

因为所述第一振幅调制器3的振幅透射率r的区间为[-1,1]，所以为了方便处理数据，将Z＝X/3取代X，Z与r一一对应，则将公式3变换为

其中Z表示中间变量；。

在公式15中E_out的表达式中，e^iθ是测量光信号相对于参考光信号的相位项，与电压无关。当相对相位锁定到0相位后，这个相位项可以去掉，此时调制的光场量子态在正交振幅分量上分布。当相对相位锁定到π/2相位后，这个相位项可以去掉，此时调制的光场量子态在正交相位分量上分布。不失一般性，以相对相位是0为例，此时可定义

根据上式可得出第一计算机控制第一模拟电压产生器加载到所述第一振幅调制器3上的第一调制电压为V：

其中，Vmax表示最大通光电压。

通过上述方法我们就可将量子光场进行一维高斯调制，即可在正交振幅上进行调制也可在正交相位上进行调制。一维二态调制方案则相对较为简单，将调制幅度±|r|带入上述公式后计算出两个第一调制电压值即可。

如图8所示，所述第一信号调整装置4包括第一保偏光纤400和可调光纤衰减器401，所述第一振幅调制器3、第一保偏光纤400、可调光纤衰减器401及光纤合束器5依次连接。在本实施例中，所述第一保偏光纤400为80m保偏光纤。所述量子传输信道6可为第一单模光纤或由自由空间等形成的光的传输媒介。

所述第二数据处理装置9包括第二量子随机发生器900、第二数据采集卡901、第二模拟电压产生器(图中未示出)及第二计算机902；其中，所述第二数据采集卡901用于提供第二时钟信号；所述第二模拟电压产生器与所述相位调制器11连接，用于产生反馈电压或同时产生反馈电压和第二调制电压以加载到所述相位调制器11上，以及产生测量基电压，用于对另一维度正交分量的起伏进行随机检测；所述第二计算机902分别与所述第二数据采集卡和第二模拟电压产生器连接，用于根据所述第二时钟信号，控制第二模拟电压产生器产生反馈电压或反馈电压和第二调制电压加载在所述相位调制器11上。

所述第二数据处理装置9产生反馈电压、第二调制电压并加载在所述相位调制器上具体包括：在一个相位值测量的全部时间段内，反馈电压近似为直流电压，一直加载在所述相位调制器上；第二调制电压为交流电压，加载在在测试脉冲时间段内，不可加载在数据脉冲时间段；反馈电压与第二调制电压相加后的电压加载在相位调制器的两端，从而既可以完成测试脉冲的调制，又可以准确测量出当前的相对相位，还可以保证数据在相位锁定的情况下进行稳定的传输。

具体的，在实现信号的调制与相位的锁定的过程中，首先由发送端的第一振幅调制器3调制出强度和相位相同的三组量子态，然后由相位调制器11再分别将其调制到如图4所示的三种量子态。因为该相位调制器11同时还要承担施加反馈电压进行相对相位锁定的任务，预先将两组电压进行相加后由第二模拟电压产生器进行输出。如图7所示，此时的反馈电压在一个数据包内可近似为直流电压，而测试脉冲所加的第一调制电压可近似为交流电压，V₁，V₂，V₃分别为三量子态的第一调制电压，即0相位角对应的第一调制电压对应V₁、2π/3相位角对应的第一调制电压V₂、-2π/3或4π/3相位角对应的第一调制电压V₃。由于直流反馈电压的存在，不会影响当前相位的测量，且确保本次测量的相对相位是在上次测量并锁定的基础上进行的。

在实际锁定过程中，反馈电压会不断积累以致超出第二模拟电压产生器的最大输出范围而失锁，为了确保系统长时间连续运转需在大于相位调制器V_π电压处设定阈值，当反馈电压的绝对值超出阈值后需对反馈电压进行加减2V_π的操作，这样就可保证系统的持续运行，通常考虑到电压的最大输出范围和加减电压的频数，我们将阈值电压选定在±2V_π，而且确保最大输出电压的绝对值大于2V_π电压(如图7所示t_k1表示测试脉冲时间，t_k2表示数据脉冲时间，T_k表示第k个数据包传输时间，T_k+1表示第k+1个数据包传输时间)。在相位锁定过程中还需要注意的是最大的反馈电压与测试电压相加后的值需小于第二模拟电压产生器的最大输出值。如果前者大于后者，那么需要加大第二模拟电压产生器的最大值；或运用第一振幅调制器的跃变特性做一些变换，减小前者的值。可做的变换方法有：

方法一：减小阈值。

方法二：利用第一振副调制器将ψ₂，ψ₃调制到θ+π处，此时相位调制器只需加电压V₂＝-π/3和V₃＝π/3即可将量子态调制到如图4所示的状态；采用该方法后，测试电压的最大输出值减小了V_π/3。

在本发明中，反馈电压通过数字PID算法确定，具体为：

其中，i,k用于标记数据块，i＝0,1,...,k，K_p表示比例系数，K_I表示积分系数，K_D表示微分系数，θ表示相对相位，在相对相位锁定的过程中利用第k个数据块计算出的电压需加载在第k+1个数据块上。

在相位锁定的反馈算法中加入PID算法后，既能够消除稳态误差，提高锁定精度，又可以提高系统的稳定性，改善系统的动态性能。在具体锁定过程中可对比例，积分，微分参数进行优化，也可对PID算法进行改进。在相位稳定锁定的过程中，便可进行量子态的精确传输。

根据以下公式确定第一调制电压：

V₁＝V_f+V_0π/3,V₂＝V_f+V_2π/3,V₃＝V_f+V_4π/3或V₃＝V_f+V_-2π/3； (8)

其中，V_f表示反馈电压，V_0π/3表示相位角为0时的相位电压，V₁表示对应0相位角时的第一调制电压，V_2π/3表示相位角为2π/3时的相位电压，V₂表示对应2π/3相位角的第一调制电压，V_-2π/3表示相位角为-2π/3时的相位电压，V_4π/3表示相位角为4π/3时的相位电压，V₃表示对应-2π/3或4π/3相位角的第一调制电压；

另一维度的测量基电压的计算公式为：

其中V_π/2表示相位角为π/2时的相位电压。

进一步地，第二信号调整装置7包括单模光纤耦合器71、第一探测器72、高速比较器及延时器73、动态偏振控制器74、第二保偏耦合器75及第二探测器76；其中，

所述量子传输信道6、单模光纤耦合器71、第一探测器72、高速比较器及延时器73、第二数据处理装置9依次连接，用于完成时钟的恢复与同步；

第二保偏耦合器75设置在光纤分束器8和第三信号调整装置10之间，所述第二保偏耦合器75、第二探测器76、第二数据处理装置9依次连接，所述动态偏正控制器74分别连接所述单模光纤耦合器71、第二数据处理装置9及光纤分束器8，用于完成光场偏振的自动控制。在本实施例中，所述第三信号调整装置10为80m保偏光纤。

所述第一数据处理装置2与第二数据处理装置9之间通过经典信道传输，所述经典信道包括与所述第一数据处理装置2连接的第一光电交换机131、与所述第二数据处理装置9连接的第二光电交换机132，以及设置在所述第一光电交换机与第二光电交换机之间的第二单模光纤133。其中，所述第一光电交换机131及第二光电交换机132均内置SFP模块。在本实施例中，两个光电交换机之间通过30km的第二单模光纤133实现两个数据处理装置的连接，进而实现密钥分发共享。

进一步地，所述测量装置12包括50/50偏振分束耦合器1201和时域脉冲平衡零拍探测器1202；其中，所述50/50偏振分束耦合器1201分别与光纤分束器8和相位调制器11连接，用于将所述信号光场和参考光场进行偏振、耦合处理；所述时域脉冲平衡零拍探测器1202与所述偏振耦合器1201连接，用于测量信号光场的正交分量。

具体的，参考光场和信号光场各通过一个输入端口进入到50/50偏振分束耦合器1201中，耦合输出后直接进入时域脉冲平衡零拍探测器1202。通过设置50/50偏振分束耦合器1201和时域脉冲平衡零拍探测器1202实现了脉冲光测量的功能，可对信号光场的正交分量进行测量。实验中接收端测量装置的量子效率为60％，电子学噪声为0.1N0。具体的测量过程中。第二数据采集卡901对时域脉冲平衡零拍探测器1202输出的脉冲信号进行峰值采集，并将测量结果存储在计算机中用于后续的数据处理。

所述测量的正交分量分别在第一数据处理装置和第二数据处理装置中进行数据处理具体包括：对测量的正交分量依次进行参数分析、数据协调和私密放大。

具体的数据处理过程中，不必公开测量基，只需对公开部分的数据进行参数分析(例如额外噪声和通道效率的分析)，并使用公式17计算出当前的安全密钥率。

ΔI＝β·I_AB-χ_BE (17)

然后对未公开的部分数据进行数据协调与私密放大，最后获得一组相同的密钥。

实验过程中数据协调效率为95.2％，通信长度为30km，额外噪声可控制在1％以内，调制方差为2.8，接收端测量装置的探测效率为60％，电子学噪声为0.03.从图9中可以看出本发明的安全密钥率为0.027比特/脉冲。实验中脉冲重复速率为500kHz,未公开的数据占比为40％，因此系统的安全密钥生成速率为5.4kbps。

与现有技术相比，本发明实现一维调制连续变量量子密钥分发方法有以下优点：

(1)本发明巧妙地利用了第一振幅调制器的相位跃变特性，可使用单个振幅调制器对量子态进行θ+0，θ+π两个相位的调制，进而将光场量子态在相空间中进行一维正交振幅分量或正交相位分量调制。

(2)本发明是利用的第一振幅调制器和相位调制器完成了相对相位的锁定。具体是采用了将第二调制电压与反馈电压相加的方法，反馈电压近似为直流电压，始终加载在相位调制器两端，第二调制电压为交流电压，加载在测试脉冲时间段，不可加载在数据脉冲时间段。两者相加后的电压加载在相位调制器两端，使系统既可以完成测试脉冲的调制，又可以准确测量出当前的相对相位，还可保证数据在相位锁定的情况下进行稳定的传输。

(3)本发明中反馈电压通过PID算法确定，弥补了补偿方法的不足，可有效消除系统的稳态误差，提高系统的动态性能和稳定性。

(4)本发明简化了连续变量量子密钥分发的实现装置，降低了实现成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述分发方法包括：

在发送端内，通过脉冲产生装置产生信号光场和参考光场；所述信号光场经过第一振幅调制器和第一信号调整装置后与所述参考光场分别传输至光纤合束器，经过所述光纤合束器合并成一路量子信号，通过量子传输信道传输至接收端；通过第一数据处理装置产生第一调制电压并加载在所述第一振幅调制器上，以调整信号光场的振幅和相位；

在接收端内，所述量子信号经过第二信号调整装置和光纤分束器后分离；分离后的参考光场经过第三信号调整装置和相位调制器后与分离后的信号光场分别传输至测量装置，通过测量装置测量脉冲光场量子态的正交分量；通过第二数据处理装置产生反馈电压、第二调制电压及测量基电压，并加载在所述相位调制器上，使得在所述反馈电压或第二调制电压和反馈电压共同的作用下，对信号光场和参考光场的相对相位锁定，以及对另一维度正交分量的起伏进行随机检测；

测量的正交分量分别在第一数据处理装置和第二数据处理装置中进行数据处理，在发送端和接收端分别获得一组安全量子密钥；

所述第一数据处理装置产生第一调制电压具体包括：

通过量子随机发生器产生0，1随机码，将所述随机码转换成在(0,1]上均匀分的随机数；

根据所述均匀分布的随机数，采用Box-Muller方法产生高斯分布随机数X，所述高斯分布随机数X服从标准正态分布N(0,1)，对应的概率密度函数为：

满足如下条件：

在±3σ处进行截断，将公式(2)变换为：

所述第一振幅调制器的振幅透射率r的区间为[-1,1]，将Z＝X/3取代X，使得Z与r一一对应，则将公式(3)变换为：

其中Z表示中间变量；

在参考光场和信号光场的相对相位为0时，

其中，E_out表示输出光信号振幅，Δ表示初始化相位，V_Π表示半波电压，V表示第一调制电压，R表示入射光场的振幅，α表示调制系数且

根据公式(5)确定加载在所述第一振幅调制器上的第一调制电压为V：

其中，V_max表示最大通光电压；

根据以下公式确定反馈电压V_f(k)：

其中，i，k用于标记数据块，K_p表示比例系数，K_I表示积分系数，K_D表示微分系数，θ表示相对相位，在相对相位锁定的过程中利用第k个数据块计算出的电压需加载在第k+1个数据块上；

根据以下公式确定第一调制电压：

V₁＝V_f+V_0π/3,V₂＝V_f+V_2π/3,V₃＝V_f+V_4π/3或V₃＝V_f+V_-2π/3； (8)

其中，V_f表示反馈电压，V_0π/3表示相位角为0时的相位电压，V₁表示对应0相位角时的第一调制电压，V_2π/3表示相位角为2π/3时的相位电压，V₂表示对应2π/3相位角的第一调制电压，V_-2π/3表示相位角为-2π/3时的相位电压，V_4π/3表示相位角为4π/3时的相位电压，V₃表示对应-2π/3或4π/3相位角的第一调制电压；

另一维度的测量基电压V_R的计算公式为：

其中V_π/2表示相位角为π/2时的相位电压；

所述通过第二数据处理装置产生反馈电压、第二调制电压及测量基电压，并加载在所述相位调制器上具体包括：在一个相位值测量的全部时间段内，所述反馈电压一直加载在所述相位调制器上；在全部时间段内的测试脉冲时间段内同时加载第二调制电压。

2.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述脉冲产生装置包括光纤激光器、脉冲发生器、两个第二振幅调制器及第一光纤耦合器；其中，

两个所述第二振幅调制器级联在光纤激光器与第一保偏光纤耦合器之间，且分别连接脉冲发生器，用于在所述脉冲发生器发出的脉冲信号的驱动下，对所述光纤激光器发出的激光信号依次进行振幅调整；

所述第一光纤耦合器用于对振幅调整后的激光信号进行分束处理，得到信号光场和参考光场。

3.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述第一信号调整装置包括第一保偏光纤和可调光纤衰减器，所述第一振幅调制器、第一保偏光纤、可调光纤衰减器及光纤合束器依次连接。

4.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述量子传输信道包括第一单模光纤或由自由空间形成的传输媒介。

5.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述第二信号调整装置包括单模光纤耦合器、第一探测器、高速比较器、延时器、动态偏振控制器、第二保偏耦合器及第二探测器；其中，

所述量子传输信道、单模光纤耦合器、第一探测器、高速比较器、延时器及第二数据处理装置依次连接，用于完成时钟的恢复与同步；

第二保偏耦合器设置在光纤分束器和第三信号调整装置之间，所述第二保偏耦合器、第二探测器、第二数据处理装置依次连接，所述动态偏正控制器分别连接所述单模光纤耦合器、第二数据处理装置及光纤分束器，用于完成光场偏振的自动控制。

6.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述测量装置包括：

50/50偏振分束耦合器，分别与光纤分束器和相位调制器连接，用于将所述信号光场和参考光场进行偏振、耦合处理；

时域脉冲平衡零拍探测器，与所述偏振耦合器连接，用于测量信号光场的正交分量。

7.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述测量的正交分量分别在第一数据处理装置和第二数据处理装置中进行数据处理具体包括：对测量的正交分量依次进行参数分析、数据协调和私密放大。