CN107947929A - 基于k‑近邻处理的连续变量量子密钥分发系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于k‑近邻处理的连续变量量子密钥分发系统及实现方法，量子密钥发送端对量子信号进行离散调制并发送至量子密钥接收端，量子密钥接收端对接收到的信号进行检测，并将检测结果送至基于k‑近邻的后处理模块，基于k‑近邻的后处理模块采用k‑近邻法对接收到的信号进行处理。本发明能够克服量子密钥分发系统中的多种噪声，尤其是非高斯对称噪声，进一步提高了离散调制的连续变量量子密钥分发系统的实际安全性。
Description
技术领域
本发明属于光纤量子通信技术领域，涉及一种基于k-近邻处理的离散调制的连续变量量子密钥分发系统及实现方法。
背景技术
量子密钥分发能使两个远距离处在不可信任的量子信道中安全共享密钥，其安全性由量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理进行保证。目前量子密钥分发分为离散变量和连续变量两种类型。与离散变量量子密钥分发相比，连续变量量子密钥分发其量子态更容易制备，能融入现有的光纤系统中，且可以使用高效低成本的零差检测或者外差检测技术，这使得连续变量量子密钥分发系统更容易进入商业化领域。然而，连续变量量子密钥分发在长距离通信时协商效率较低。在长距离通信时，离散调制的连续变量量子密钥分发能够保持较高的协商效率，这使得离散调制的连续变量量子密钥分发更适合用于远距离通信。
目前连续变量量子密钥分发还没有进入完全商业化，主要原因是由于其实际性能跟理论性能还有较大的差距。量子密钥分发系统中存在多种噪声，如放大器辐射噪声，激光器相位噪声等，这些噪声将会降低系统的性能。因此，如何克服这些噪声对系统性能的影响尤为重要。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统及实现方法，解决了现有技术中量子密钥分发系统中存在多种噪声，噪声将会降低系统的性能的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统，包括：
量子密钥发送端，用于密钥生成，对量子信号进行离散调制，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端；
量子密钥接收端，用于接收并检测量子信号，并将检测结果发送至基于k-近邻的后处理模块；
基于k-近邻的后处理模块，用于处理量子密钥接收端发送的检测结果，并根据处理结果与量子密钥发送端进行密钥协商，最终获取安全密钥。
进一步的，所述量子密钥发送端包括：
脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；
偏振器，用于控制脉冲激光器产生的信号光的偏振态，并发送至第一可调衰减器；
第一可调衰减器，用于将偏振器送至的信号光进行衰减至合适的光强水平，光强水平根据所处理的信号光的不同而进行设置，并发送至第一分束器；
第一分束器，用于将脉冲相干光分离为1％量子水平的信号光与99％量子水平的本振光；
现场可编程门阵列信号生成卡，用于生成量子密钥发送端所需调制信号，控制第一电光相位调制器进行离散调制，并将离散调制信号送至第一PC端；
第一电光相位调制器，用于将第一分束器分离的信号光进行离散调制，并将信号光发送至第二可调衰减器；
第二可调衰减器，用于将第一电光相位调制器输出的信号光衰减为量子水平，并发送至偏振耦合器；
偏振耦合器，用于将第二可调衰减器发出的信号光和第一分束器分离的本振光耦合成一路量子信号，并通过量子信道传输至量子密钥接收端。
进一步的，所述量子密钥接收端包括：
偏振控制器，用于校准量子信道送至的量子信号的偏振态，并发送至偏振分束器；
偏振分束器，用于将偏振控制器送至的量子信号分成10％的信号光与90％的本振光；
第二电光相位调制器，用于将经过偏振分束器分离的本振光进行相位调制并进行随机测量基的选择，并将本振光发送至第二分束器；
第二分束器，用于将第二电光相位调制器发出的本振光与偏振分束器分离的信号光进行干涉，差分通过本振光和信号光通过的路径差来实现，并发送至零差探测器；
零差探测器，用于对进行过干涉和差分的本振光和信号光进行零差检测，获得随机选择的正交分量的测量结果，并将检测结果发送至基于k-近邻的后处理模块。
进一步的，所述基于k-近邻的后处理模块包括：
现场可编程门阵列数据采集卡，用于采集零差探测器送至的信号，并将采集到的信号送至第二PC端；
第一PC端，用于处理现场可编程门阵列信号生成卡送至的离散调制信号；
第二PC端，用于对采集到的信号进行k-近邻法处理，与第一PC端进行纠错协商和私密放大。
进一步的，所述脉冲激光器的型号为Thorlabs OPG1015皮秒光脉冲发生器，第一电光相位调制器的型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，偏振耦合器的型号为ThorlabsPBC980PM-FC偏振光束耦合器，现场可编程门阵列信号生成卡由Xilinx VC707与FMC176组合而成。
进一步的，所述第二电光相位调制器的型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，零差探测器的型号为Thorlabs PDA435A平衡放大光电探测器。
进一步的，所述现场可编程门阵列数据采集卡由Xilinx VC707与FMC176组合而成。
本发明所采用的另一技术方案是，基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统的实现方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一、量子秘钥发送：现场可编程门阵列信号生成卡生成调制信号用于控制第一电光相位调制器；在量子信号发送端，脉冲激光器产生脉冲相干光，经过偏振器控制其偏振态，之后通过第一可调衰减器进行衰减，再经过第一分束器分离成信号光与本振光，信号光依次经过第一电光相位调制器和第二可调衰减器后与本振光在偏振耦合器中耦合形成量子秘钥，并通过量子信道发送至量子密钥接收端；
步骤二、量子秘钥接收：在量子秘钥接收端，量子秘钥通过偏振控制器调整偏振态，再经过偏振分束器分成信号光与本振光，本振光经过第二电光相位调制器后与信号光在第二分束器进行干涉；干涉后通过零差探测器进行检测并将检测结果送至基于k-近邻的后处理模块；
步骤三、基于k-近邻的后处理模块对检测到的信号采用现场可编程门阵列采集卡进行采集，将采集到的信号送至第二PC端；第二PC端运用k-近邻法对采集到的信号进行分类处理，运用LDPC码与第一PC端进行纠错协商，并利用哈希矩阵进行私密放大，随后对信号采用GPU加速处理，通信双方获得一对安全密钥。
本发明的有益效果是：基于k-近邻的后处理模块先用k-近邻法对FPGA数据采集卡采集到的信号进行分类处理，提高检测结果的准确性，降低纠错协商的负担；处理后的信号采用准循环LDPC码与发送端进行纠错协商，之后通过私密放大来降低攻击者可能获取到的密钥量。本发明利用基于k-近邻的后处理模块，克服了离散调制的连续变量量子密钥分发系统中存在的多种噪声，尤其是非高斯对称噪声，提高了系统的性能。
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是基于k-近邻后处理的离散调制的连续变量量子密钥分发系统的流程图；
图2是基于k-近邻后处理的离散调制的连续变量量子密钥分发系统的原理图。
图中，1.脉冲激光器，2.偏振器，3.第一可调衰减器，4.第一分束器，5.第一电光相位调制器，6.第二可调衰减器，7.偏振耦合器，8.偏振控制器，9.偏振分束器，10.第二电光相位调制器，11.第二分束器，12.零差探测器，13.现场可编程门阵列(FPGA)数据采集卡，14.第二PC端，15.第一PC端，16.现场可编程门阵列(FPGA)信号生成卡。
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。
基于k-近邻后处理的离散调制的连续变量量子密钥分发系统，如图1-2所示，包括：
量子密钥发送端，用于密钥生成，对量子信号进行离散调制，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端；
量子密钥接收端，用于接收并检测量子信号，并将检测结果发送至基于k-近邻的后处理模块；
基于k-近邻的后处理模块，用于处理量子密钥接收端发送的检测结果，并根据处理结果与量子密钥发送端进行密钥协商，最终获取安全密钥。
量子密钥发送端包括：
脉冲激光器1，用于产生脉冲相干光；
偏振器2，用于控制脉冲激光器1产生的信号光的偏振态，并发送至第一可调衰减器3；
第一可调衰减器3，用于将偏振器2送至的信号光进行衰减至合适的光强水平，光强水平根据所处理的信号光的不同而进行设置，并发送至第一分束器4；
第一分束器4，用于将脉冲相干光分离为1％量子水平的信号光与99％量子水平的本振光，且本振光对信号光有放大其强度的作用；
现场可编程门阵列信号生成卡16，用于生成量子密钥发送端所需调制信号，控制第一电光相位调制器5进行离散调制，现场可编程门阵列信号生成卡16生成的离散调制信号，如果是四态调制，则生成01，11，00，10，控制第一电光相位调制器5选择相应的调制相位，进而完成离散调制，并将离散调制信号送至第一PC端15；
第一电光相位调制器5，用于将第一分束器4分离的信号光进行离散调制，并将信号光发送至第二可调衰减器6；
第二可调衰减器6，用于将第一电光相位调制器5输出的信号光衰减为量子水平，并发送至偏振耦合器7；
偏振耦合器7，用于将第二可调衰减器6发出的信号光和第一分束器4分离的本振光耦合成一路量子信号，也就是所需发送的量子秘钥，并通过量子信道传输至量子密钥接收端。
量子密钥接收端，包括：
偏振控制器8，用于校准量子信道送至的量子信号的偏振态，并发送至偏振分束器9；
偏振分束器9，用于将偏振控制器8送至的量子信号分成10％的信号光与90％的本振光，其中本振光用于随机测量基的选择后与信号光进行干涉，然后进行零差检测；
第二电光相位调制器10，用于将经过偏振分束器9分离的本振光进行相位调制并进行随机测量基的选择，并将本振光发送至第二分束器11；
第二分束器11，用于将第二电光相位调制器10发出的本振光与偏振分束器9分离的信号光进行干涉，差分通过本振光和信号光通过的路径差来实现，并发送至零差探测器12；
零差探测器12，用于对进行过干涉和差分的本振光和信号光进行零差检测，获得随机选择的正交分量的测量结果，并将检测结果发送至基于k-近邻的后处理模块。
基于k-近邻的后处理模块，包括：
现场可编程门阵列数据采集卡13，用于采集零差探测器12送至的信号，并将采集到的信号送至第二PC端14；
第一PC端15，用于处理现场可编程门阵列信号生成卡16送至的离散调制信号；
第二PC端14，用于对采集到的信号进行k-近邻法处理，即将接收到的一部分数据作为训练数据，分为具体的类别，然后根据训练数据对后续接收到的数据进行分类，与第一PC端15进行纠错协商和私密放大，并用GPU进行加速处理；
纠错协商采用的是反向协商，即在第二PC端14对k-近邻法处理后的信号进行LDPC编码矩阵的生成，将编码所采用的编码矩阵发送至第一PC端15，第一PC端15对现场可编程门阵列信号生成卡16传送的离散调制信号进行编码，然后用和积译码算法在第一PC端15进行译码。私密放大在译码过后进行，私密放大这一过程在第一PC端15和第一PC端14同时进行，随后将信号送至第一PC端15，使通信双方获得安全密钥。
通过用哈希矩阵对纠错协商后的信息进行哈希映射，哈希映射用矩阵乘以纠错后双方共享的密钥，缩短并打乱顺序，从而实现私密放大。
量子信道为单模光纤或自由空间形成的传输媒介，单模光纤衰减系数稳定，大约为0.2dB/km，抗干扰能力强，成本较低；经典信道为经典无线、有线或光纤形成的传输媒介。
脉冲激光器1采用Thorlabs OPG1015皮秒光脉冲发生器，可产生小于等于3ps，频率为10GHz的激光脉冲。
第一电光相位调制器5、第二电光相位调制器10均采用型号MPZ-LN-10的电光相位调制器，具有高消光比(>20dB)、低损耗(2.5dB)、高带宽(10GHz)的特点，可以满足更高速率的量子密钥通信系统，尽量减少了光学器件带来的额外损耗。
偏振耦合器7采用Thorlabs PBC980PM-FC偏振光束耦合器，将两束正交偏振光耦合入一根光纤中。此型号具有高消光比(>18dB)、低损耗(<2dB)的优点。
零差探测器12采用Thorlabs PDA435A平衡放大光电探测器，共模抑制比大于20Db,带宽可达350MHz。
现场可编程门阵列信号生成卡16和现场可编程门阵列数据采集卡13均由XilinxVC707与FMC176组合而成。
GPU采用MSI GTX1080TI AERO图形处理器，显存容量为11GB，显存位宽为352bit，核心频率为1620MHz/1506MHz。
一种基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统的实现方法应用一种基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统，具体按照以下步骤进行：
步骤一、量子秘钥发送：现场可编程门阵列信号生成卡16生成调制信号用于控制第一电光相位调制器5；在量子信号发送端，脉冲激光器1产生脉冲相干光，经过偏振器2控制其偏振态，之后通过第一可调衰减器3进行衰减，再经过第一分束器4分离成信号光与本振光，信号光依次经过第一电光相位调制器5和第二可调衰减器6后与本振光在偏振耦合器7中耦合形成量子秘钥，并通过量子信道发送至量子密钥接收端；
步骤二、量子秘钥接收：在量子秘钥接收端，量子秘钥通过偏振控制器8调整偏振态，再经过偏振分束器9分成信号光与本振光，本振光经过第二电光相位调制器10后与信号光在第二分束器11进行干涉；干涉后通过零差探测器12进行检测并将检测结果送至基于k-近邻的后处理模块；
步骤三、基于k-近邻的后处理模块对检测到的信号采用现场可编程门阵列采集卡13进行采集，将采集到的信号送至第二PC端14；第二PC端14运用k-近邻法对采集到的信号进行分类处理，运用LDPC码与第一PC端15进行纠错协商，并利用哈希矩阵进行私密放大，随后对信号采用GPU加速处理，通信双方获得一对安全密钥。
本文的k-近邻法是在给定的一个训练数据集基础上，对后续接收到的数据，在训练数据集中找到与该数据最邻近的K个训练数据，这K个训练数据的多数属于某个类，就把该数据分类到这个类中，通过采用k-近邻法先对信号进行分类处理的预处理，本文的技术方案简单易于实现，且重新训练代价低；LDPC码是低密度奇偶校验码，且是具有稀疏校验矩阵的线性分组码，译码复杂度较低、结构灵活，LDPC码在算法研究和仿真实现上都比较成熟，LDPC码可以用并行的方式进行解码，有利于硬件实现，提高译码吞吐率，进而采用LDPC纠错协商来降低噪声。本文提供的基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统及实现方法进一步降低了噪声对系统的影响，提高了系统性能。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
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 (8)
1.基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括：
量子密钥发送端，用于密钥生成，对量子信号进行离散调制，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端；
量子密钥接收端，用于接收并检测量子信号，并将检测结果发送至基于k-近邻的后处理模块；
基于k-近邻的后处理模块，用于处理量子密钥接收端发送的检测结果，并根据处理结果与量子密钥发送端进行密钥协商，最终获取安全密钥。
2.根据权利要求1所述的基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥发送端包括：
脉冲激光器(1)，用于产生脉冲相干光；
偏振器(2)，用于控制脉冲激光器(1)产生的信号光的偏振态，并发送至第一可调衰减器(3)；
第一可调衰减器(3)，用于将偏振器(2)送至的信号光进行衰减至合适的光强水平，光强水平根据所处理的信号光的不同而进行设置，并发送至第一分束器(4)；
第一分束器(4)，用于将脉冲相干光分离为1％量子水平的信号光与99％量子水平的本振光；
现场可编程门阵列信号生成卡(16)，用于生成量子密钥发送端所需调制信号，控制第一电光相位调制器(5)进行离散调制，并将离散调制信号送至第一PC端(15)；
第一电光相位调制器(5)，用于将第一分束器(4)分离的信号光进行离散调制，并将信号光发送至第二可调衰减器(6)；
第二可调衰减器(6)，用于将第一电光相位调制器(5)输出的信号光衰减为量子水平，并发送至偏振耦合器(7)；
偏振耦合器(7)，用于将第二可调衰减器(6)发出的信号光和第一分束器(4)分离的本振光耦合成一路量子信号，并通过量子信道传输至量子密钥接收端。
3.根据权利要求1所述的基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥接收端包括：
偏振控制器(8)，用于校准量子信道送至的量子信号的偏振态，并发送至偏振分束器(9)；
偏振分束器(9)，用于将偏振控制器(8)送至的量子信号分成10％的信号光与90％的本振光；
第二电光相位调制器(10)，用于将经过偏振分束器(9)分离的本振光进行相位调制并进行随机测量基的选择，并将本振光发送至第二分束器(11)；
第二分束器(11)，用于将第二电光相位调制器(10)发出的本振光与偏振分束器(9)分离的信号光进行干涉，差分通过本振光和信号光通过的路径差来实现，并发送至零差探测器(12)；
零差探测器(12)，用于对进行过干涉和差分的本振光和信号光进行零差检测，获得随机选择的正交分量的测量结果，并将检测结果发送至基于k-近邻的后处理模块。
4.根据权利要求1所述的基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述基于k-近邻的后处理模块包括：
现场可编程门阵列数据采集卡(13)，用于采集零差探测器(12)送至的信号，并将采集到的信号送至第二PC端(14)；
第一PC端(15)，用于处理现场可编程门阵列信号生成卡(16)送至的离散调制信号；
第二PC端(14)，用于对采集到的信号进行k-近邻法处理，与第一PC端(15)进行纠错协商和私密放大。
5.根据权利要求2所述的基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述脉冲激光器(1)的型号为Thorlabs OPG1015皮秒光脉冲发生器，第一电光相位调制器(5)的型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，偏振耦合器(7)的型号为Thorlabs PBC980PM-FC偏振光束耦合器，现场可编程门阵列信号生成卡(16)由Xilinx VC707与FMC176组合而成。
6.根据权利要求3所述的基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述第二电光相位调制器(10)的型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，零差探测器(12)的型号为Thorlabs PDA435A平衡放大光电探测器。
7.根据权利要求4所述的基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列数据采集卡(13)由Xilinx VC707与FMC176组合而成。
8.一种如权利要求1-7任何一项所述的基于k-近邻处理的连续变量量子密钥分发系统的实现方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤一、量子秘钥发送：现场可编程门阵列信号生成卡(16)生成调制信号用于控制第一电光相位调制器(5)；在量子信号发送端，脉冲激光器(1)产生脉冲相干光，经过偏振器(2)控制其偏振态，之后通过第一可调衰减器(3)进行衰减，再经过第一分束器(4)分离成信号光与本振光，信号光依次经过第一电光相位调制器(5)和第二可调衰减器(6)后与本振光在偏振耦合器(7)中耦合形成量子秘钥，并通过量子信道发送至量子密钥接收端；
步骤二、量子秘钥接收：在量子秘钥接收端，量子秘钥通过偏振控制器(8)调整偏振态，再经过偏振分束器(9)分成信号光与本振光，本振光经过第二电光相位调制器(10)后与信号光在第二分束器(11)进行干涉；干涉后通过零差探测器(12)进行检测并将检测结果送至基于k-近邻的后处理模块；
步骤三、基于k-近邻的后处理模块对检测到的信号采用现场可编程门阵列采集卡(13)进行采集，将采集到的信号送至第二PC端(14)；第二PC端(14)运用k-近邻法对采集到的信号进行分类处理，运用LDPC码与第一PC端(15)进行纠错协商，并利用哈希矩阵进行私密放大，随后对信号采用GPU加速处理，通信双方获得一对安全密钥。
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