CN107508668A - 连续变量量子密钥分发关键参数实时监控方法 - 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关键参数实时监控方法，包括以下步骤：发送端发送一段数据，接收端进行散粒噪声方差N0的标定，之后开始建立通信，一帧一帧的发送数据；发送端发送数据帧并对调制后的量子信号的方差进行监控，接收端进行测量后得到一段双方共有的数据串；接收端知道发送端的帧头数据，测量完成后接收端又得到了此段数据经高斯衰减信道传输后的测量值，接收端利用信道模型和参数估计算法公式去评估信道的透过率T和过噪声方差Vε；当前帧发送完毕后，等待下一帧数据发送，然后发送端和接收端重复上两个步骤的参数估计过程从而得到实时的参数估计结果。本发明使得系统资源的耗费尽可能的得到了降低，且获得了很好的实时性。

Description

连续变量量子密钥分发关键参数实时监控方法
技术领域
本发明涉及到信道参数估计方法，尤其涉及到一种连续变量量子密钥分发关键参数实时监控方法。
背景技术
连续变量量子密钥分发技术(CVQKD)是实现量子保密通信的一种重要方式，在量子保密通信中占据重要地位。连续变量量子密钥分发将信息编码在光场的正则分量上，与单光子量子保密通信技术相比，这种方式具有两方面的优势：首先，连续变量量子保密通信系统与传统光通信系统具有良好的融合性，易于在实际光通信系统中应用推广，其次连续变量量子保密通信系统可以采用较少的资源获取较大的性能，这归结于连续变量量子密钥分发系统的大部分器件可以采用传统光通信器件来实现，而且在同等物理系统条件下的最终密钥率高。近年来，连续变量量子保密通信受到了高度重视，并且快步走向实用化。
连续变量量子密钥分发协议包括量子传输，窃听检测，秘密协商和保密加强四个过程。通常秘密协商和保密加强算法的选取是由信道参数的估计值来决定的，而窃听检测也是在信道估计值的基础上得以实现。为了选取合适的秘密协商算法和保密加强算法，并计算出合理的密钥率，需要估计信道的相关参数，如信道的过噪声和透过率等。所谓的参数估计就是根据观测值来对拟评估的参数进行估值处理，他在量子密钥分发协议中起着重要作用。一种有效的连续变量量子密钥分发的实时的参数评估方法是极其重要的。
发明内容
针对现有系统中的缺陷，本发明的目的是提供一种连续变量量子密钥分发关键参数实时监控方法，能有效的对系统实现中所涉及到的参数进行评估，从而为秘密协商，保密加强和密钥率的计算等后处理过程提供可靠的参数。
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关键参数实时监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:发送端发送一段数据，接收端进行散粒噪声方差N0的标定，之后开始建立通信，一帧一帧的发送数据；
步骤S2：发送端发送数据帧并对调制后的量子信号的方差进行监控，接收端进行测量后得到一段双方共有的数据串；
步骤S3：接收端知道发送端的帧头数据，测量完成后接收端又得到了此段数据经高斯衰减信道传输后的测量值，接收端利用信道模型和参数估计算法公式去评估信道的透过率T和过噪声方差Vε；
步骤S4：当前帧发送完毕后，等待下一帧数据发送，然后发送端和接收端重复步骤S2和步骤S3的参数估计过程从而得到实时的参数估计结果。
上述技术方案中，步骤S1中接收端进行散粒噪声方差N0的标定包括如下步骤：
步骤S101：发送端发送一段时间的本振信号和量子信号；
步骤S102：接收端将Homodyne检测器量子信号光的输入端关闭，在只输入本振光的情况下用Homodyne检测器检测输出情况，统计输出信号的总方差NH；
步骤S103：接收端将Homodyne检测器的两输入端完全遮蔽测量检测器输出电信号的方差Vel；
步骤S104：根据公式NH＝N0+Vel，而Vel表示在检测器的两输入端都遮蔽的情况下测量器输出端的电信号方差，用统计出的方差NH减去检测器的电噪声方差Vel，得到了在此光强条件下的散粒噪声方差N0。
上述技术方案中，步骤S2中，对发送端所发送的量子信号进行了监控，在经过AM和PM调制之后，在信号衰减之前分出一部分的信号光用作调制方差的估计，用来进行对发送的量子信号的监控，然后得到相对准确的量子信号的方差值，且能够监控因激光源的光功率抖动或者AM的偏置点漂移所带来的发送信号的抖动。
上述技术方案中，步骤S3中，信道模型用公式表达为y表示接收端的检测数据，x为发送端的调制数据，T为信道的透过率，η为Homodyne检测器的效率，z为总的加性高斯随机噪声，包括传输信道的加性高斯噪声Vε和测量信道的加性高斯噪声NH；
参数评估计算方法为：根据双方共享的一段数据串Xi和Yi，利用公式：和T＝t2/η，其中，检测器效率η为检测器的固定参数，VX为发送端发送数据的方差，N是数据的总个数，这样得到的值，进而计算出透过率T，通过Vε＝VY-ηTVX-VH计算出信道的过噪声方差Vε。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明利用实际的高斯信道模型在一段共有数据的基础上，有效的得到了透过率T和散粒噪声方差Vε的实时监控数值，对于连续变量量子密钥分发系统的实现和稳定具有重要意义。
此外，本发明采用参数估计方法和位帧同步、相位漂移估计两个数据处理阶段共用一段数据串，使得系统资源的耗费尽可能的得到了降低，且获得了很好的实时性。
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为本发明的发送端和接收端之间数据收发的示意图；
图2为本发明的每一帧数据的构造图；
图3为本发明的发送端所发送量子信号发差的监控方案。
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。
本发明提供了一种连续变量量子密钥分发关键参数实时监控方法，其能有效的对系统实现中所涉及到的参数进行评估，从而为秘密协商，保密加强和密钥率的计算等后处理过程提供可靠的参数。
如图1所示，当研究一个连续变量量子密钥分发系统时，仅需要着重考虑传输信道和测量信道两部分对信号所造成的影响，发送端将量子信号和本振信号通过时分复用和偏振复用在同一根光纤信道中传输，量子传输信号的光纤信道通常可以看作是一个加性的高斯衰减信道，而Homodyne检测器的探测可以看作是一个加性高斯信道。由于接收端的设备被认为是不能被攻击者所利用的，通常认为Homodyne检测器所叠加的噪声不受攻击者所控制，并且可以提前标定，所以对光纤量子信道的估计就变得极其重要。
本发明的一种连续变量量子密钥分发关键参数实时监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:发送端发送一段数据，接收端进行散粒噪声方差N0的标定，之后开始建立通信，一帧一帧的发送数据；
步骤S2：发送端发送数据帧并对调制后的量子信号的方差进行监控，接收端进行测量后得到一段双方共有的数据串；
步骤S3：接收端知道发送端的帧头数据，测量完成后接收端又得到了此段数据经高斯衰减信道传输后的测量值，接收端利用信道模型和参数估计算法公式去评估信道的透过率T和过噪声方差Vε；
步骤S4：当前帧发送完毕后，等待下一帧数据发送，然后发送端和接收端重复步骤S2和步骤S3的参数估计过程从而得到实时的参数估计结果。
步骤S1中接收端进行散粒噪声方差N0的标定包括如下步骤：
步骤S101：发送端发送一段时间的本振信号和量子信号；
步骤S102：接收端将Homodyne检测器量子信号光的输入端关闭，在只输入本振光的情况下用Homodyne检测器检测输出情况，统计输出信号的总方差NH；
步骤S103：接收端将Homodyne检测器的两输入端完全遮蔽测量检测器输出电信号的方差Vel；
步骤S104：根据公式NH＝N0+Vel，而Vel表示在检测器的两输入端都遮蔽的情况下测量器输出端的电信号方差，用统计出的方差NH减去检测器的电噪声方差Vel，得到了在此光强条件下的散粒噪声方差N0。
实际系统中散粒噪声方差和本振光强度成正比，而电噪声方差在同一套系统中相对变化较小，在提前标定了电噪声的方差之后，只需要在系统运行的开始阶段标定一次散粒噪声方差即可。
发送端发送数据帧并且进行发送量子信号的方差监控，提取双方共有的数据段做参数估计。实际的通信过程中，如图2所示数据以帧为单位进行传输，在每一帧数据的帧头都有用来做帧同步的数据段，量子信号由于极其微弱受相位漂移影响很大还额外需要做相位漂移估计的数据段，这些数据都是事先构造好的发送端和接收端共同存储的高斯分布的数据。位帧同步段完成同步后，提取位帧同步段和相位漂移估计数据段的数据用来做信道参数的估计。这样可以极大的提高量子系统的效率，减少额外的开销。
步骤S2中，对发送端所发送的量子信号进行了监控，具体的监控方法如附图3，所示在经过AM和PM调制之后，在信号衰减之前分出一部分的信号光用作调制方差的估计，用来进行对发送的量子信号的监控，然后得到相对准确的量子信号的方差值，且能够监控因激光源的光功率抖动或者AM的偏置点漂移所带来的发送信号的抖动。
其中，如图3所示，信号光在经过调制之后还保持着较强的光强，这里对其进行分束，较强的光信号用来测量其光信号的方差，弱光信号进一步衰减为量子信号发送到信道中，利用所测得的较强光信号的方差，并根据分束比和后续的衰减系数，可以准确估算出发射到信道中的量子信号的方差。通过这种方式可以监控发送端量子信号的方差，如若因激光源光功率波动或者AM偏置点漂移而产生了较大的量子信号的方差波动，可以舍弃当前的数据段，或者进行相应的补偿操作，通过这种手段所得到的量子信号的方差监控是准确的。
步骤S3中，传输量子信号态的量子信道可以近似的看作是一个高斯衰减信道，信道模型用公式表达为y表示接收端的检测数据，x为发送端的调制数据，T为信道的透过率，η为Homodyne检测器的效率，z为总的加性高斯随机噪声，包括传输信道的加性高斯噪声Vε和测量信道的加性高斯噪声NH；
接收端经Homodyne检测参数评估数据段后得到一串检测数据Y1，Y2，Y3……Yn，而接收端先验的知道发送端中的数据X1，X2，X3……Xn，由于NH在上文中已经测得在此就要估计出信道的透过率T和信道的过噪声方差Vε。
参数评估计算方法为：根据双方共享的一段数据串Xi和Yi，利用公式：和T＝t2/η，其中，检测器效率η为检测器的固定参数，VX为发送端发送数据的方差，N是数据的总个数，这样得到的值，进而计算出透过率T，通过Vε＝VY-ηTVX-VH计算出信道的过噪声方差Vε。
重复的在每一帧数据的开始进行参数评估，目的是实时的监控信道参数的变化情况。通过这种方式可以得到更为合理的参数估计结果。
步骤S4中，重复的在每一帧数据的开始进行参数评估，目的是实时的监控信道参数的变化情况。由于每一帧数据也同样需要位帧同步和相位漂移值的估计，所以可以共用这些数据点，以减少系统资源的开支。
利用帧同步数据段和估计相位漂移的数据段来进行参数的实时估计，每帧数据进行一次估计达到了好的实时性，同时不占用系统的额外资源。本发明在每次工作前标定系统的散粒噪声，得到在此次工作条件下的散粒方差数值。
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 (4)

1.一种连续变量量子密钥分发关键参数实时监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:发送端发送一段数据，接收端进行散粒噪声方差N0的标定，之后开始建立通信，一帧一帧的发送数据；
步骤S2：发送端发送数据帧并对调制后的量子信号的方差进行监控，接收端进行测量后得到一段双方共有的数据串；
步骤S3：接收端知道发送端的帧头数据，测量完成后接收端又得到了此段数据经高斯衰减信道传输后的测量值，接收端利用信道模型和参数估计算法公式去评估信道的透过率T和过噪声方差Vε；
步骤S4：当前帧发送完毕后，等待下一帧数据发送，然后发送端和接收端重复步骤S2和步骤S3的参数估计过程从而得到实时的参数估计结果。
2.根据权利要求1所述的一种连续变量量子密钥分发关键参数实时监控方法，其特征在于，步骤S1中接收端进行散粒噪声方差N0的标定包括如下步骤：
步骤S101：发送端发送一段时间的本振信号和量子信号；
步骤S102：接收端将Homodyne检测器量子信号光的输入端关闭，在只输入本振光的情况下用Homodyne检测器检测输出情况，统计输出信号的总方差NH；
步骤S103：接收端将Homodyne检测器的两输入端完全遮蔽测量检测器输出电信号的方差Vel；
步骤S104：根据公式NH＝N0+Vel，而Vel表示在检测器的两输入端都遮蔽的情况下测量器输出端的电信号方差，用统计出的方差NH减去检测器的电噪声方差Vel，得到了在此光强条件下的散粒噪声方差N0。
3.根据权利要求1所述的一种连续变量量子密钥分发关键参数实时监控方法，其特征在于，步骤S2中，对发送端所发送的量子信号进行了监控，在经过AM和PM调制之后，在信号衰减之前分出一部分的信号光用作调制方差的估计，用来进行对发送的量子信号的监控，然后得到相对准确的量子信号的方差值，且能够监控因激光源的光功率抖动或者AM的偏置点漂移所带来的发送信号的抖动。
4.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发关键参数实时监控方法，其特征在于，步骤S3中，信道模型用公式表达为y表示接收端的检测数据，x为发送端的调制数据，T为信道的透过率，η为Homodyne检测器的效率，z为总的加性高斯随机噪声，包括传输信道的加性高斯噪声Vε和测量信道的加性高斯噪声NH；
参数评估计算方法为：根据双方共享的一段数据串Xi和Yi，利用公式：和T＝t2/η，其中，检测器效率η为检测器的固定参数，VX为发送端发送数据的方差，N是数据的总个数，这样得到的值，进而计算出信道的透过率T，通过Vε＝VY-ηTVX-VH计算出信道的过噪声方差Vε。
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