CN107302430A - 一种连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现方法和装置，其中的方法包括如下步骤：发送端产生连续的激光；对激光进行斩波，用来产生激光脉冲信号；将激光脉冲信号分为两路光脉冲信号，其中一路为弱光信号，另一路为强光信号，弱光信号经衰减后作为量子信号，强光信号作为本振信号；产生随机数，对该随机数进行处理，得到一组瑞利分布的随机数和一组均匀分布的随机数；对量子信号进行调制，将瑞利分布的随机数调制在量子信号的幅度上，均匀分布的随机数调制在量子信号的相位上；将调制后的量子信号和本振信号耦合进光纤中进行传输。本发明能够得到高效稳定的调制信号，可以在高速的CVQKD中获得极好的效果。

Description

一种连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现方法及装置
技术领域
本发明涉及到一种连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现方法及装置。
背景技术
在信息技术飞速发展的现代社会中，信息安全问题被越来越多的人所关心，而量子密钥分发以其安全的密钥传输能力吸引了大量研究人员参与研究。量子密钥分发能使合法通信双方在不可信任的量子信道中安全共享密钥，其主要利用测不准原理和量子态不可克隆定理来实现通信的无条件安全。
量子密钥分发可分为离散变量量子密钥分发(DVQKD)和连续变量量子密钥分发(CVQKD)，与基于单光子的离散变量量子密钥分发不同，连续变量量子密钥分发将随机变量的信息编码在光场的正则分量上。CVQKD主要具有以下三大优势：第一光源制备比较简单。第二探测器采用现代光通信系统中普遍采用的平衡零差(外差)探测器，成本较低，并且效率较高。第三，可兼容现代光通信网络，大大降低了系统和网络建设成本。目前，学术界已经提出了很多连续变量量子密钥分发协议并且从理论上进行了安全性分析，给出了个体攻击和联合攻击的安全门限，特别是基于高斯调制的相干态量子密钥分发协议的无条件安全性得到了充分论证，高斯调制相干态协议目前已经成为连续变量CVQKD中最重要的方法。
在连续变量量子密钥分发中，根据调制方法又可以分为离散调制连续变量量子密钥分发和连续调制连续变量量子密钥分发，在离散调制连续变量量子密钥分发中如BPSK,QPSK，离散的调制信息编码在光场的正则分量上(X或P)，而高斯调制连续变量量子密钥分发将高斯数据调制在光场的正则分量上，这就对调制端的性能提出了很高的要求，一种稳定高效的高斯调制方法是极其重要的。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高速可靠的连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现方法及装置。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：发送端利用相干激光器产生连续激光；
步骤S2：利用高消光比调制器对激光进行斩波，用来产生激光脉冲信号，并通过反馈来控制偏置点电压以稳定输出光脉冲；
步骤S3：将激光脉冲信号分为两路光脉冲信号，其中一路为弱光信号，另一路为强光信号，弱光信号经衰减后作为量子信号，强光信号作为本振信号；
步骤S4：产生随机数，对该随机数进行处理，得到一组瑞丽分布的随机数和一组均匀分布的随机数；
步骤S5：对量子信号进行调制，将瑞利分布的随机数调制在量子信号的幅度上，均匀分布的随机数调制在量子信号的相位上；
步骤S6：将调制后的量子信号和本振信号耦合进光纤中进行传输。
上述技术方案中，所述步骤S4中随机数的生成包括以下步骤：
步骤S401：通过随机数产生器产生二进制的随机数，随机数2N bit划分为一组，对每组2N个随机数进行处理，每N bit映射为一个0-1区间内的均匀分布的随机数，以此产生均匀分布的随机数；
步骤S402：通过公式产生一个瑞丽分布的随机数，其中u1为步骤S401中生成的一个服从均匀分布的随机数。
上述技术方案中，发送端通过强度反馈控制器来稳定激光的输出功率。
本发明的一种连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现装置，其特征在于，包括：
发送端，其用于产生连续激光；
高消光比调制器，其与发送端连接，高消光比调制器通过斩波作用对发送端产生的激光进行斩波，用来产生激光脉冲信号；
分束器，其与高消光比调制器连接，并用于将经斩波作用而产生的激光脉冲信号分为两路光脉冲信号，其中一路为弱光信号，另一路为强光信号，弱光信号经衰减后作为量子信号，强光信号作为本振信号。
IQ调制器，其与分束器连接，IQ调制器用于对量子信号进行调制，从而将瑞利分布的随机数调制在量子信号的幅度上，均匀分布的随机数调制在量子信号的相位上；
随机数生成模块，其与IQ调制器连接，随机数生成模块用于产生随机数，并对该随机数进行处理，得到一组瑞丽分布的随机数和一组均匀分布的随机数；
波分复用器，其分别与分束器和IQ调制器连接，波分复用器用于将IQ调制器调制后的量子信号和分束器分出的本振信号耦合进光纤中进行传输。
上述技术方案中，所述分束器为1:99的分束器。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
通过本发明的技术方案，能够得到高效稳定的调制信号，可以在高速的CVQKD方案中获得极好的效果，可以预见即便是对于未来更高速的量子密钥分发系统来说，该技术方案仍然是稳定可靠的。
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它附图。
图1为本发明所使用的高斯调制的示意图；
图2为本发明实施例2的连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现装置的结构示意图；
图3为本发明对连续激光进行斩波所使用的高消光比调制器及其反馈控制环路示意图；
其中：1-发送端，11-激光器，12-强度反馈控制器，2-高消光比调制器，3-分束器，4-IQ调制器，5-随机数生成模块，6-波分复用器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
本实施例提供了一种连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现方法包括如下步骤：
步骤S1：发送端利用相干激光器产生连续激光；
步骤S2：对激光进行斩波，用来产生激光脉冲信号，此处是通过高消光比调制器的斩波作用对激光器产生的激光进行斩波，用来产生激光脉冲信号，斩波后的激光脉冲信号的占空比一般为10％左右，输出的光脉冲信号进行分束后与反馈控制器相连接,如图3所示，以稳定高消光比调制器的偏置电压产生更好的光脉冲波形，这里使用高消光比调制器可以尽可能减少两个光脉冲之间的光子残留，上述的反馈控制器即图3中的光电转换器；
步骤S3：将激光脉冲信号分为两路光脉冲信号，其中一路为弱光信号，另一路为强光信号，弱光信号经衰减后作为量子信号，强光信号作为本振信号，此处具体是通过一个1:99的分束器，将激光脉冲信号分为两路光脉冲信号；
步骤S4：产生随机数，对该随机数进行处理，得到一组瑞丽分布的随机数和一组均匀分布的随机数，此处的瑞利分布的随机数乘以一个均匀分布的随机数的余弦可以得到一个高斯分布的随机数；
步骤S5：对量子信号进行调制，将瑞利分布的随机数调制在量子信号的幅度上，均匀分布的随机数调制在量子信号的相位上，调制后的信号在相空间中是符合高斯分布的，如图1所示。图1中，R为量子信号的幅度，θ为量子信号的相位，△x为量子信号的不确定度，PA和XA为所调制信号的正则分量,也即加载的高斯随机信号；
步骤S6：将调制后的量子信号和本振信号耦合进光纤中进行传输。
其中步骤S4中的涉及到二进制随机数向高斯随机数的转换，随机数生成器生成的随机数为二进制0、1随机数，而在连续变量量子密钥分发中所需要的随机数为高斯分布的随机数，本发明提出一种有效的方案将二进制的随机数比特串，转化为高斯分布的随机数。
步骤S4中随机数的生成包括以下步骤：
步骤S401：通过随机数产生器产生二进制的随机数，将二进制的随机数分组，2Nbit划分为一组，这里令N为10，以20bit二进制数为一组，每组可映射一个高斯随机数，然后产生0-1之间的均匀分布的随机数，对每组2N个二进制随机数进行处理，每N bit映射为一个0-1区间内的均匀分布的随机数，以10bit计，十位二进制数最大值为210-1，即十进制数的1023，将每N个二进制随机数转化为十进制，之后除以1023即归一化到了0-1之间，归一化的N个二进制数即产生了近似上的一个均匀分布随机数；
步骤S402：通过公式产生一个瑞丽分布的随机数；其中u1为步骤S401中生成的一个【0,1】区间服从均匀分布的随机数，根据公式可得到一个高斯分布的随机数，这里的u1和u2按顺序上述步骤中的两个均匀分布的随机数，即每2N个二进制的随机数生成一个标准正态分布的随机数，在实际的系统实现中，本发明所使用的IQ调制器同时调制幅度和相位，上述生成的瑞利分布的随机数加载在信号的幅度上，图1中所示的R即为信号的幅度，均匀分布的随机数加载在信号的相位上，即图1中所示的θ，由于实际的信号总是表示成为Y＝R*cos(θ),所以信号也就表现出了高斯正态分布的特性；
将生成的正态分布的随机数乘上一个常数于是产生近视的高斯随机数，其均值为零，方差为V。这里方差V的大小应该和具体的系统实现情况相一致。
优选地，发送端通过强度反馈控制器来稳定激光的输出功率。
步骤S2中为了增强系统的稳定性，高消光比调制器中集成了自动偏置点补偿模块，自动偏置点补偿模块主要是针对高消光比调制器。一般情况下，高消光比调制器的偏置电压会随时间缓慢漂移，如果固定一个预先校准的偏置电压可能造成脉冲消光比降低，从而影响整个系统的消光比。本发明使用一个自动偏置点补偿模块，用以自动反复校准高消光比调制器工作点。这个自动校准工作点可以通过高消光比调制器输出光强校准计算反馈校准工作点，其反馈的光脉冲的幅值能够通过算法不断的搜索其最高值和最低值获得最佳的工作点。自动偏置点补偿模块为集成在高消光比调制器中的反馈控制电路，在消光之后用分束器分出一束强光之后用光电探测器去探测，得到的电信号输入到高消光比调制器之中，消光比的变化影响光电探测器输出的电信号的强度，从而反馈作用于偏置电压，反馈控制电路本身为现有技术，此处不再赘述。
步骤S5中，将使用IQ调制器进行信号的加载而非通常用在连续变量量子密钥分发中的AM和PM调制器，IQ调制器是传统的光通信领域中常用的一种调制器件，在高速光通信领域广泛应用，具有集成度高，性能稳定，调制带宽大等特点，还能够克服传统AM调制中所存在的偏置点漂移等问题。IQ调制器在连续变量量子密钥分发方案中的应用，不但有助于系统性能，还有利于连续变量量子密钥分发系统与现有的光网络进行有效的融合。如图1所示本发明将上述生成的瑞利分布的随机数编码在量子信号的幅度R上，均匀分布的随机数编码在相位θ上，则根据上述公式，XA＝R*cos(θ)和PA＝R*sin(θ)均服从高斯分布即为所调制的信息。
步骤S6中，将量子信号和本振信号通过时分复用和偏振复用进行耦合，量子信号和偏振信号是高度相干的两串光脉冲信号，由于其占空比一般较低为10％左右，可以在时间上进行复用以达到共同传输，高消光比调制器的应用极大的降低了噪声的扰动，量子信号和本振信号在偏振方向上互相正交，偏振复用使得量子信号和本振信号可以在接收端通过一个偏振分束器方便的分离开。
实施例2
参见图2，本实施例中还提供了一种连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现装置，其特征在于，包括：
发送端1，其用于产生连续的激光；
高消光比调制器2，其与发送端1连接，高消光比调制器通2过斩波作用对发送端1产生的激光进行斩波，用来产生激光脉冲信号；
分束器3，其与高消光比调制器2连接，并用于将经斩波作用而产生的激光脉冲信号分为两路光脉冲信号，其中一路为弱光信号，另一路为强光信号，弱光信号经衰减后作为量子信号，强光信号作为本振信号。
IQ调制器4，其与分束器3连接，IQ调制器4用于对量子信号进行调制，从而将瑞利分布的随机数调制在量子信号的幅度上，均匀分布的随机数调制在量子信号的相位上；
随机数生成模块5，其与IQ调制器4连接，随机数生成模块用于产生随机数，并对该随机数进行处理，得到一组瑞丽分布的随机数和一组均匀分布的随机数；
波分复用器6，其分别与分束器3和IQ调制器4连接，波分复用器6用于将IQ调制器4调制后的量子信号和分束器3分出的本振信号耦合进光纤中进行传输。
发送端包括激光器11和强度反馈控制器12，激光器11和强度反馈控制器12连接，强度反馈控制器12用于稳定激光器11输出的光功率。
优选的，所述分束器为1:99的分束器。
本实施例中的硬件本身为现有技术，此处不再赘述。
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)

1.一种连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：发送端利用相干激光器产生连续激光；
步骤S2：利用高消光比调制器对激光进行斩波，用来产生激光脉冲信号，并通过反馈来控制偏置点电压以稳定输出光脉冲；
步骤S3：将激光脉冲信号分为两路光脉冲信号，其中一路为弱光信号，另一路为强光信号，弱光信号经衰减后作为量子信号，强光信号作为本振信号；
步骤S4：产生随机数，对该随机数进行处理，得到一组瑞丽分布的随机数和一组均匀分布的随机数；
步骤S5：对量子信号进行调制，将瑞利分布的随机数调制在量子信号的幅度上，均匀分布的随机数调制在量子信号的相位上；
步骤S6：将调制后的量子信号和本振信号耦合进光纤中进行传输。
2.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现方法，其特征在于，
所述步骤S4中随机数的生成包括以下步骤：
步骤S401：通过随机数产生器产生二进制的随机数，随机数2N bit划分为一组，对每组2N个随机数进行处理，每N bit映射为一个0-1区间内的均匀分布的随机数，以此产生均匀分布的随机数；
步骤S402：通过公式产生一个瑞丽分布的随机数，其中u1为步骤S401中生成的一个服从均匀分布的随机数。
3.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现方法，其特征在于，
发送端通过强度反馈控制器来产生高稳定度的激光脉冲输出。
4.一种连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现装置，其特征在于，包括：
发送端，其用于产生连续激光；
高消光比调制器，其与发送端连接，高消光比调制器通过斩波作用对发送端产生的激光进行斩波，用来产生激光脉冲信号；
分束器，其与高消光比调制器连接，并用于将经斩波作用而产生的激光脉冲信号分为两路光脉冲信号，其中一路为弱光信号，另一路为强光信号，弱光信号经衰减后作为量子信号，强光信号作为本振信号。
IQ调制器，其与分束器连接，IQ调制器用于对量子信号进行调制，从而将瑞利分布的随机数调制在量子信号的幅度上，均匀分布的随机数调制在量子信号的相位上；
随机数生成模块，其与IQ调制器连接，随机数生成模块用于产生随机数，并对该随机数进行处理，得到一组瑞丽分布的随机数和一组均匀分布的随机数；
波分复用器，其分别与分束器和IQ调制器连接，波分复用器用于将IQ调制器调制后的量子信号和分束器分出的本振信号耦合进光纤中进行传输。
5.根据权利要求4所述的连续变量量子密钥分发系统高斯调制实现装置，其特征在于，
所述分束器为1:99的分束器。
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