CN107086891B - 连续变量量子密钥分发系统的相位补偿实现方法 - Google Patents

连续变量量子密钥分发系统的相位补偿实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了连续变量量子密钥分发系统的相位补偿实现方法，发送方将初始的连续密钥数据利用相干态进行高斯调制，然后将调制过的信号经过光纤信道发送给接收方；接收方对获得的初始连续密钥数据利用基于正交基展开的算法进行预处理、纠错及保密增强，获取最终安全的密钥。本方法推进了连续变量量子密码的实用化，同时能有效抑制在量子通信过程中量子信号所受到的环境干扰以及人为攻击。

Description

连续变量量子密钥分发系统的相位补偿实现方法
技术领域
本发明属于量子通信技术领域，涉及一种基于数据后处理的连续变量量子密钥分发系统的相位补偿实现方法。
背景技术
保密通信一直以来都是通信领域的研究重点之一。合法通信双方通过密钥加密所需要传递的信息，这样能够增加第三方获取信息的难度，密钥分发和密钥管理在这个过程中起到了重要作用。量子密钥分发为合法通信双方提供了一种基于物理原理的密钥分发方式，因而在近年备受关注。
量子密钥是相对于传统密钥而言的，两者都属于保密通信的范畴。现有已知的保密通信方式，包括量子密钥，都是在假定攻击者能力有限时才能保证安全。量子密钥与传统密钥的不同之处主要体现在密钥生成方式上，他们的主要差别是他们所依据的基本原理不同，保密条件也不同。传统的密钥如公钥体制等，主要依赖于计算的复杂性，保密条件是假定攻击者的计算能力有限，无法在短时间内解出密钥。量子密钥分发依赖于量子物理的两个基本特性，“不可克隆和不可复制原理”和“海森堡测不准原理”。“不可克隆和不可复制原理”保证了在量子信道上传递的信息只能有唯一的脚本，无法被删除或者被复制。“海森堡测不准原理”使攻击者在窃听该脚本时有可能会破坏信息，通信双方可以通过一致性检验来监测攻击者的存在。量子密钥的保密条件是假定攻击者对信道的控制能力是有限的。攻击者只能窃听，无法对经典信道进行篡改，否则量子密钥的安全性也无法保证。
连续变量量子密钥分发(CVQKD)自1999年首次提出以来，就引起了国内外广泛的关注。CVQKD可以让通信双方，通过量子信道和经过认证的经典信道获得密钥。在CVQKD中，本征值连续变化的物理量被用来加载信息，比如可以利用单光子态的频率、时隙、动量和位置，也可以利用几个光子组成的态的振幅和相位这样的正则共轭变量来加载信息。现阶段，连续变量量子密钥分发主要以几个光子组成的量子态作为信息载体，具体是指对多光子量子态进行调制、信息传递、相干解调的密钥分发方案；当然，连续变量量子密钥分发也可以以单个光子作为信息载体然后对单光子量子态进行编码信息传递。
通过大量实验可以发现，CVQKD在短距离下密钥速率表现良好，而在长距离通信商速率很低。而且安全通信距离比离散变量量子密钥分发系统短很多。最主要的原因是因为CVQKD解码得到的是连续数据而不是二进制数值，目前针对连续数据的高效密钥协商算法并不完善，这从很大程度上限制了安全传输距离。而且长距离传输会引入更多的过噪声，包括本振光的泄露以及相位漂移等。
基于高斯调制相干态(GMCS)的方法是CVQKD系统的一个典型方法，并且这种方法已经通过实验实现。在以往的GMCS方法中，发送端产生一束信号光和一束本地本振光，然后将两束光同时送入信道，因此两束光在光纤中产生的相位漂移就是一致的。在接收端，接收方可以利用发送方发送的本地本振光对信号进行恢复。但是GMCS方法的一个最大缺点就是，本振光和信号光在信道中传输时，攻击者可以利用发送方发送的本振光进行截取重发攻击，从而降低系统的安全性。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种基于数据后处理的连续变量量子密钥分发系统的相位补偿实现方法，利用正交基展开算法对连续变量量子密钥分发系统进行相位补偿，推进了连续变量量子密码的实用化，同时能有效抑制在量子通信过程中量子信号所受到的环境干扰以及人为攻击。
本发明所采用的技术方案是，连续变量量子密钥分发系统的相位补偿实现方法，按照以下步骤进行：
步骤A：发送方将初始的连续密钥数据利用相干态进行高斯调制，然后将调制过的信号经过光纤信道发送给接收方；
步骤B：接收方对获得的初始连续密钥数据利用基于正交基展开的算法进行预处理、纠错及保密增强，获取最终安全的密钥。
进一步的，所述步骤A按照以下步骤进行：
步骤A1：发送方及接收方对系统进行通信初始化，包括对系统中的信源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化；
步骤A2：发送方利用第一激光器产生信号光；
步骤A3：信号光先经过第一幅度调制器进行脉冲调制，然后经过第一相位调制器和第二幅度调制器进行高斯调制，发送方通过高斯调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光的均值和方差服从高斯分布；
步骤A4：信号光通过衰减器和隔离器后，送入信道。
进一步的，所述步骤B按照以下步骤进行：
步骤B1：接收方利用第二激光器产生本振光；
步骤B2：本振光经过第三幅度调制和第二相位调制器后，再经过一个隔离器；
步骤B3：从信道传输过来的信号光与接收端产生的本振光经过分束器后进行零差检测；
步骤B4：进行零差检测之后，在数据后处理阶段利用正交基展开算法进行相位补偿；
步骤B5：经过纠错及保密增强，获取最终安全的密钥。
进一步的，所述步骤B4，利用正交基展开算法进行相位补偿按照以下步骤进行：
首先在接收端，接收方接收到的信号表示为
其中，[rx ry]T表示经过光纤传输后的OFDM信号，[ax+ax (i) ay+ay (i)]T表示发送端发送的信号，diag(G+,G+)和diag(G,G)表示基带OFDM系统的调制与解调，表示信道传输响应矩阵，[wx wy]T代表自发放大辐射噪声，diag(Φx,Φy)表示相位噪声，其中Φx＝[ψx(0) ψx(1) … ψx(N-1)]T，Φy＝[ψy(0) ψy(1) … ψy(N-1)]T；
然后，将相位噪声利用一组正交基展开，
其中，B表示一组正交基，具体的有
[Γx,i Γy,i]T表示相位噪声的影响；
在进行相位补偿时，首先将公式(1)写成
其中[εx εy]T表示由自发放大辐射引入的错误；
定义矩阵
和
则公式(2)可以写成
其中S＝diag(SP,SP)，SP是单位矩阵；[Γx * Γy *]T可以通过最小二乘法计算得到，即
因此，经过相位补偿后，接收端的数据可以按如下公式计算得出，即
其中，“Re”代表取复数的实部。
本发明的有益效果：在发送端，发送方用激光器产生量子信号并送入信道。在接收端接收方对接收到的信号光进行检测后，用正交基展开算法相位进行补偿。在本方法中，信道中并没有传送发送方产生的本地本振光，这样就避免了可能存在的截取重发攻击。同时在接收端，接收方利用基于正交基展开算法对数据进行后处理，这一操作可以对信号光进行相位补偿。因此，通过纠错和保密增强后，可以恢复出原信号。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的光路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中，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。
首先发送方及接收方对系统进行通信初始化，包括对系统中的信源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化。发送方用激光器产生脉冲信号。在信号光路中，发送方通过高斯调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光的均值和方差服从高斯分布。发送方通过调制的信号光通过光纤发送给接收方。
在接收端，接收方产生本地本振光，然后将从信道传输过来的信号光与本振光进行零差检测。进行零差检测之後，利用正交基展开算法进行相位补偿。最后通过纠错及保密增强等方式，获得最终安全的密钥。
以下具体分析在CVQKD系统中，基于正交基展开的数据后处理的相位补偿算法的具体计算方法如下(即步骤B4)：
首先在接收端，接收方接收到的信号可以表示为
其中，[rx ry]T表示经过光纤传输后的OFDM信号，[ax+ax (i) ay+ay (i)]T表示发送端发送的信号，diag(G+,G+)和diag(G,G)表示基带OFDM系统的调制与解调，表示信道传输响应矩阵，[wx wy]T代表自发放大辐射噪声，diag(Φx,Φy)表示相位噪声，其中Φx＝[ψx(0) ψx(1) … ψx(N-1)]T，Φy＝[ψy(0) ψy(1) … ψy(N-1)]T。
然后，将相位噪声利用一组正交基展开，
其中，B表示一组正交基，具体的有
[Γx,i Γy,i]T表示相位噪声的影响。
在进行相位补偿时，首先将公式(1)写成
其中[εx εy]T表示由自发放大辐射引入的错误。
定义矩阵
和
则公式(2)可以写成
其中S＝diag(SP,SP)，SP是单位矩阵。[Γx * Γy *]T可以通过最小二乘法计算得到，即
因此，经过相位补偿后，接收端的数据可以按如下公式计算得出，即
其中，“Re”代表取复数的实部。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.连续变量量子密钥分发系统的相位补偿实现方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤A：发送方将初始的连续密钥数据利用相干态进行高斯调制，然后将调制过的信号经过光纤信道发送给接收方；
步骤B：接收方对获得的初始连续密钥数据利用基于正交基展开的算法进行预处理、纠错及保密增强，获取最终安全的密钥；
所述步骤A按照以下步骤进行：
步骤A1：发送方及接收方对系统进行通信初始化，包括对系统中的信源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化；
步骤A2：发送方利用第一激光器产生信号光；
步骤A3：信号光先经过第一幅度调制器进行脉冲调制，然后经过第一相位调制器和第二幅度调制器进行高斯调制，发送方通过高斯调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光的均值和方差服从高斯分布；
步骤A4：信号光通过衰减器和隔离器后，送入信道；
所述步骤B按照以下步骤进行：
步骤B1：接收方利用第二激光器产生本振光；
步骤B2：本振光经过第三幅度调制器 和第二相位调制器后，再经过一个隔离器；
步骤B3：从信道传输过来的信号光与接收端产生的本振光经过分束器后进行零差检测；
步骤B4：进行零差检测之后，在数据后处理阶段利用正交基展开算法进行相位补偿；
步骤B5：经过纠错及保密增强，获取最终安全的密钥；
所述步骤B4，利用正交基展开算法进行相位补偿按照以下步骤进行：
首先在接收端，接收方接收到的信号表示为
其中，[rx ry]T表示经过光纤传输后的OFDM信号，[ax+ax (i) ay+ay (i)]T表示发送端发送的信号，diag(G+,G+)和diag(G,G)表示基带OFDM系统的调制与解调，表示信道传输响应矩阵，[wx wy]T代表自发放大辐射噪声，diag(Φx,Φy)表示相位噪声，其中Φx＝[ψx(0) ψx(1) … ψx(N-1)]T，Φy＝[ψy(0) ψy(1) … ψy(N-1)]T；
然后，将相位噪声利用一组正交基展开，
其中，B表示一组正交基，具体的有[Γx,i Γy,i]T表示相位噪声的影响；
在进行相位补偿时，首先将公式(1)写成
其中[εx εy]T表示由自发放大辐射引入的错误；
定义矩阵
和
则公式(2)可以写成
其中S＝diag(SP,SP)，SP是单位矩阵；[Γx * Γy *]T可以通过最小二乘法计算得到，即
因此，经过相位补偿后，接收端的数据可以按如下公式计算得出，即
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