CN107566120A - 本地本振连续变量量子密钥分发方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种本地本振连续变量量子密钥分发方法及系统，包括如下过程：相干脉冲光源产生、本振光和信号光分离、脉冲信号光传输、双相位调制脉冲信号光、脉冲信号光回传、无噪线性放大器处理以及测量和检测。本发明避免了本振光的漏洞攻击，除此之外，通过无噪放大器的等效放大之后，系统密钥的最大传输距离以及最大的可容忍过噪声都得到了显著的提高，为以后更远的长距离连续变量量子密钥分发提供了新的思路，同时由于往返式结构，传输过程中的偏振漂移将得到自动补偿，使得系统长时间稳定性提高。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，具体地，涉及基于无噪线性放大的本地本振连续变量量子密钥分发方法及系统。
背景技术
随着计算机信息技术的快速发展以及密码破译手段、病毒多方式入侵等日趋严峻性，信息技术对信息安全的要求日益增加。近些年来，由于量子物理具有的不确定性原理和不可克隆性等特性，利用量子来进行密钥分发引起了研究人员的广泛关注。
量子密钥分发技术主要包括离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发。离散变量量子密钥分发研究起步较早也较为成熟。连续变量量子密钥分发起步较晚但相对于离散变量量子密钥分发来讲，它不仅密钥率更高，而且与传统的相干光通信有更好的兼容性，因此，吸引了许多研究人员进行理论上和实验上的大量研究。在连续变量量子密钥的实际传输过程中，其中一个问题就是由发送端通过信道传输本振光到接收端的问题，窃听者可以通过攻击本振光从而达到窃取信息的目的，另一个问题是由于传输信道中的噪声存在以及随着距离的增加，信号的损耗也越大，因此实际的密钥最大传输距离受到了很大的限制。同时随着传输信道中过噪声的增大，最大传输距离也会受到限制。
为了弥补上述问题，针对本振光传输漏洞，一些研究者提出了在接收端产生本振光的方案，该方案在一定程度上解决了传输本振光的漏洞问题，但该方案的缺陷是本地产生的本振光与信号光的频率存在不一致，容易产生较大的相位噪声。
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本地本振连续变量量子密钥分发方法。
根据本发明提供的一种本地本振连续变量量子密钥分发方法，包括：
相干脉冲光源产生步骤：使用激光器产生连续光；
本振光和信号光分离步骤：通过分束器将连续光分为大功率的本振光和小功率的信号光，大功率的本振光保留在本地，小功率的信号光通过脉冲调制模块调制成脉冲信号光；
脉冲信号光传输步骤：发送端通过光纤作为量子信道将脉冲信号光传送给接收端；
双相位调制脉冲信号光步骤：接收端通过分束器将脉冲信号光分为两束，每一束脉冲信号光使用相位调制器进行高斯调制，其中一路采用可调延时线来实现两路脉冲信号光的精确控制延时，完成双相位调制；
脉冲信号光回传步骤：通过法拉第旋转镜对完成双相位调制的脉冲信号光进行反向，并经过原光纤返回发送端；
无噪线性放大器处理步骤：通过分束器将返回发送端的脉冲信号光传输到无噪线性放大器进行等效放大；
测量和检测步骤：对等效放大的脉冲信号光与本地的大功率的本振光进行干涉对齐，通过采样处理得到原始密钥。
优选的，在所述无噪线性放大器处理步骤中还包括通过调整无噪线性放大器的放大增益来获取最优的密钥率。
优选的，在所述双相位调制脉冲信号光步骤中通过调整双相位调制方差来使密钥率取得最大值，从而得到所述最优的密钥率。
优选的，在所述测量和检测步骤中采用可调节延时线对等效放大的脉冲信号光与本地的大功率的本振光进行干涉对齐。
优选的，所述大功率的本振光和小功率的信号光的比例为99∶1。
根据本发明提供的一种本地本振连续变量量子密钥分发系统，包括
相干脉冲光源产生模块：使用激光器产生连续光；
本振光和信号光分离模块：通过分束器将连续光分为大功率的本振光和小功率的信号光，大功率的本振光保留在本地，小功率的信号光通过脉冲调制模块调制成脉冲信号光；
脉冲信号光传输模块：发送端通过光纤作为量子信道将脉冲信号光传送给接收端；
双相位调制脉冲信号光模块：接收端通过分束器将脉冲信号光分为两束，每一束脉冲信号光使用相位调制器进行高斯调制，其中一路采用可调延时线来实现两路脉冲信号光的精确控制延时，完成双相位调制；
脉冲信号光回传模块：通过法拉第旋转镜对完成双相位调制的脉冲信号光进行反向，并经过原光纤返回发送端；
无噪线性放大器处理模块：通过分束器将返回发送端的脉冲信号光传输到无噪线性放大器进行等效放大；
测量和检测模块：对等效放大的脉冲信号光与本地的大功率的本振光进行干涉对齐，通过采样处理得到原始密钥。
优选的，在所述无噪线性放大器处理步骤中还包括通过调整无噪线性放大器的放大增益来获取最优的密钥率。
优选的，在所述双相位调制脉冲信号光步骤中通过调整双相位调制方差来使密钥率取得最大值，从而得到所述最优的密钥率。
优选的，在所述测量和检测步骤中采用可调节延时线对等效放大的脉冲信号光与本地的大功率的本振光进行干涉对齐。
优选的，所述大功率的本振光和小功率的信号光的比例为99∶1。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的往返式结构可以避免本振光的传输，避免了本振光的漏洞攻击。除此之外，通过无噪放大器的等效放大之后，系统密钥的最大传输距离以及最大的可容忍过噪声都得到了显著的提高，为以后更远的长距离连续变量量子密钥分发提供了新的思路，同时由于往返式结构，传输过程中的偏振漂移将得到自动补偿，使得系统长时间稳定性提高。
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为本发明的流程示意图。
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。
如图1所示，本发明提供的一种本地本振连续变量量子密钥分发方法，包括：
相干脉冲光源产生步骤：使用激光器产生连续光；
本振光和信号光分离步骤：通过分束器将连续光分为大功率的本振光和小功率的信号光，大功率的本振光保留在本地，小功率的信号光通过脉冲调制模块调制成脉冲信号光；
脉冲信号光传输步骤：发送端通过光纤作为量子信道将脉冲信号光传送给接收端；
双相位调制脉冲信号光步骤：接收端通过分束器将脉冲信号光分为两束，每一束脉冲信号光使用相位调制器进行高斯调制，其中一路采用可调延时线来实现两路脉冲信号光的精确控制延时，完成双相位调制；
脉冲信号光回传步骤：通过法拉第旋转镜对完成双相位调制的脉冲信号光进行反向，并经过原光纤返回发送端；
无噪线性放大器处理步骤：通过分束器将返回发送端的脉冲信号光传输到无噪线性放大器进行等效放大；
测量和检测步骤：对等效放大的脉冲信号光与本地的大功率的本振光进行干涉对齐，通过采样处理得到原始密钥。
该往返式结构能够自动补偿偏振的漂移，也可以提高系统的稳定性，有助于实际系统的长时间稳定工作。返回的双相位调制信号传递到无噪线性放大器，经过放大增益为g的无噪线性放大器的等效放大，可以最终使信号的最大传输距离增加20log(g)以及可以提高传输系统的最大可容忍过噪声。
不同放大增益的无噪线性放大器对系统有不同的影响和作用，对于密钥率来讲，存在一个最优的放大增益使得密钥率达到最大值。在实验中，通过调整无噪线性放大器的放大增益来获取最优的密钥率。经过无噪线性放大器放的之后的密钥率的最优值与接收端的调制方差有关，存在一个最优的接收端调制方差使得最终密钥率取得最大值，在实验中，通过调整双相位调制方差来获取最优的密钥率。
在本发明中，本振光和经过无噪线性放大器放大的信号光均为脉冲光，因此脉冲的对齐十分关键，我们利用可调节延时线将脉冲进行干涉对齐，使得信号质量大幅度提高。
基于上述本地本振连续变量量子密钥分发方法，本发明还提供一种本地本振连续变量量子密钥分发系统，包括
相干脉冲光源产生模块：使用激光器产生连续光；
本振光和信号光分离模块：通过分束器将连续光分为大功率的本振光和小功率的信号光，大功率的本振光保留在本地，小功率的信号光通过脉冲调制模块调制成脉冲信号光；
脉冲信号光传输模块：发送端通过光纤作为量子信道将脉冲信号光传送给接收端；
双相位调制脉冲信号光模块：接收端通过分束器将脉冲信号光分为两束，每一束脉冲信号光使用相位调制器进行高斯调制，其中一路采用可调延时线来实现两路脉冲信号光的精确控制延时，完成双相位调制；
脉冲信号光回传模块：通过法拉第旋转镜对完成双相位调制的脉冲信号光进行反向，并经过原光纤返回发送端；
无噪线性放大器处理模块：通过分束器将返回发送端的脉冲信号光传输到无噪线性放大器进行等效放大；
测量和检测模块：对等效放大的脉冲信号光与本地的大功率的本振光进行干涉对齐，通过采样处理得到原始密钥。
基于上述的系统和方法，提供具体应用实例：
首先在发送端采用一个1550nm连续激光器作为相干光源，激光器的线宽为1.5kHz，其输出光经过高消光比的AM调制器切割成一个1MHz的脉冲序列，生成的脉宽为200ns。
紧接着通过99∶1的分束器将其分成两束，其中一束功率小的作为信号光发送给接收端，功率大的另一束作为本振光保持在发送端。
在发送端使用脉冲调制模块将信号光调制成为脉冲信号光。
脉冲调制后的信号光经过衰减为0.2dB/km的20km的光纤盘到达接收端，通过一个分束器分成两路，完成了双相位调制后信号通过法拉第镜再返回发送端。
由于信号路经过法拉第镜相位发生了90度的旋转，因此在发送端同样需要将本振光经过法拉第镜进行相应的旋转；另一方面，为了使得干涉效果达到最优，采用精度为ps级的可调延时线将脉冲对齐进行干涉，信号质量大幅提高。
返回到发送端的信号经过一个无噪线性放大器的等效放大后传送到平衡零差检测器前面与本地本振光发生干涉。
经过旋转后的本振光通过相位调制器实现x和p的选择测量，并经过带宽为25MHz的平衡零差探测器进行探测获得初始密钥。
最终，原始数据送入经典纠错码和保密加强两个模块完成密钥提取。
本发明设计的一种基于无噪线性放大的本地本振连续变量量子密钥分发方案。首先，在实际量子密钥分发系统中，窃听者可以通过在信道中采用攻击本振光的漏洞来窃取信息，该方案的往返式结构可以避免本振光的传输，避免了本振光的漏洞攻击。除此之外，利用了无噪线性放大器对双相位调制之后的信号进行等效放大，然后与本地本振光进行相干检测，然后通过后处理得到原始密钥。通过无噪放大器的等效放大之后，系统密钥的最大传输距离以及最大的可容忍过噪声都得到了显著的提高，为以后更远的长距离连续变量量子密钥分发提供了新的思路，同时由于往返式结构，传输过程中的偏振漂移将得到自动补偿，使得系统长时间稳定性提高。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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 (10)
1.一种本地本振连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，包括：
相干脉冲光源产生步骤：使用激光器产生连续光；
本振光和信号光分离步骤：通过分束器将连续光分为大功率的本振光和小功率的信号光，大功率的本振光保留在本地，小功率的信号光通过脉冲调制模块调制成脉冲信号光；
脉冲信号光传输步骤：发送端通过光纤作为量子信道将脉冲信号光传送给接收端；
双相位调制脉冲信号光步骤：接收端通过分束器将脉冲信号光分为两束，每一束脉冲信号光使用相位调制器进行高斯调制，其中一路采用可调延时线来实现两路脉冲信号光的精确控制延时，完成双相位调制；
脉冲信号光回传步骤：通过法拉第旋转镜对完成双相位调制的脉冲信号光进行反向，并经过原光纤返回发送端；
无噪线性放大器处理步骤：通过分束器将返回发送端的脉冲信号光传输到无噪线性放大器进行等效放大；
测量和检测步骤：对等效放大的脉冲信号光与本地的大功率的本振光进行干涉对齐，通过采样处理得到原始密钥。
2.根据权利要求1所述的本地本振连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，在所述无噪线性放大器处理步骤中还包括通过调整无噪线性放大器的放大增益来获取最优的密钥率。
3.根据权利要求1所述的本地本振连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，在所述双相位调制脉冲信号光步骤中通过调整双相位调制方差来使密钥率取得最大值，从而得到所述最优的密钥率。
4.根据权利要求3所述的本地本振连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，在所述测量和检测步骤中采用可调节延时线对等效放大的脉冲信号光与本地的大功率的本振光进行干涉对齐。
5.根据权利要求1所述的本地本振连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述大功率的本振光和小功率的信号光的比例为99∶1。
6.一种本地本振连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括
相干脉冲光源产生模块：使用激光器产生连续光；
本振光和信号光分离模块：通过分束器将连续光分为大功率的本振光和小功率的信号光，大功率的本振光保留在本地，小功率的信号光通过脉冲调制模块调制成脉冲信号光；
脉冲信号光传输模块：发送端通过光纤作为量子信道将脉冲信号光传送给接收端；
双相位调制脉冲信号光模块：接收端通过分束器将脉冲信号光分为两束，每一束脉冲信号光使用相位调制器进行高斯调制，其中一路采用可调延时线来实现两路脉冲信号光的精确控制延时，完成双相位调制；
脉冲信号光回传模块：通过法拉第旋转镜对完成双相位调制的脉冲信号光进行反向，并经过原光纤返回发送端；
无噪线性放大器处理模块：通过分束器将返回发送端的脉冲信号光传输到无噪线性放大器进行等效放大；
测量和检测模块：对等效放大的脉冲信号光与本地的大功率的本振光进行干涉对齐，通过采样处理得到原始密钥。
7.根据权利要求6所述的本地本振连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，在所述无噪线性放大器处理步骤中还包括通过调整无噪线性放大器的放大增益来获取最优的密钥率。
8.根据权利要求6所述的本地本振连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，在所述双相位调制脉冲信号光步骤中通过调整双相位调制方差来使密钥率取得最大值，从而得到所述最优的密钥率。
9.根据权利要求8所述的本地本振连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，在所述测量和检测步骤中采用可调节延时线对等效放大的脉冲信号光与本地的大功率的本振光进行干涉对齐。
10.根据权利要求6所述的本地本振连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述大功率的本振光和小功率的信号光的比例为99∶1。
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