CN107979462B - 基于正交频分复用的量子密钥分配系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于正交频分复用的量子密钥分配系统及其实现方法，发送端将第一外腔可调谐激光器产生的脉冲激光经过正交频分复用技术处理后，经过光纤通道进行远距离传输后由接收端接收，接收端进行解调，获得最终安全的密钥。本发明推进了量子密码的实用化，同时能有效提高在量子通信过程中量子信号的传输效率。

Description

基于正交频分复用的量子密钥分配系统及其实现方法
技术领域
本发明属于量子密钥分发技术领域，涉及一种基于正交频分复用的量子密钥分配系统及其实现方法。
背景技术
随着互联网的大范围普及，人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地被暴露在互联网上，因此，人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。
量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通信是20世纪80年代开始发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。量子密钥分配(QKD)是1984年物理学家Bennett和密码学家Brassard提出了基于量子力学测量原理的BB84协议，量子密钥分配从根本上保证了密钥的安全性。在光学系统中QKD协议是通过四种量子态来传输信息的。该方案的实施是靠经典信道和量子信道两个信道来实现的，其中前者的作用是使Alice和Bob进行通信密码的协商，也就是在该信道上传递控制信息；后者的作用是使Alice和Bob双方进行量子通信。
在国家安全、金融等信息安全领域，量子保密通信技术也开始发挥作用。2004年奥地利银行作为世界上首个采用量子通信的银行；2007年瑞士全国大选的选票结果传送过程也采用了量子保密通信技术，以保证结果的绝对安全。量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论，美国国家科学基金会、国防高级设计计划局都会此项目进行了深入的研究。瑞士、法国等欧美国家也成立公司开始对量子通信进行商业研发。
然而通过大量实验发现，量子密钥分配在长距离通信上速率很低。目前针对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。因此，如何提高量子密钥的传输效率，成为了现在研究的热点与难点。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种基于正交频分复用的量子密钥分配系统及其实现方法，解决了现有技术中量子密钥分配在长距离通信上速率很低的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于正交频分复用的量子密钥分配系统，包括：
发送端，用于连续变量初始密钥分发，量子信号经过光纤通道进行远距离传输至接收端；
接收端，用于连续变量密钥测量，接收端对接收到的量子信号进行测量，获得最终安全的密钥。
进一步的，所述发送端包括：
第一外腔可调谐激光器，用于产生脉冲激光，并发送至强度调制器；
强度调制器，用于对第一外腔可调谐激光器产生的脉冲激光进行强度调制；
相位调制器，用于对强度调制器发出的脉冲激光进行相位调制，并将光发送至光学I/Q调制器；
移相器，用来控制相位调制器具体调相的大小；
频率合成器，用来控制任意波形发生器、移相器和强度调制器的频率，使其三个的频率保持一致；
任意波形发生器，用作信号源，产生两路信号即模拟同相信号、模拟正交信号，并将其发送至光学I/Q调制器；
光学I/Q调制器，用于将模拟同相信号和模拟正交信号以及相位调制器发送的脉冲激光进行正交频分复用的调制，调制后输出一束两个偏振方向正交的光，并将光送至第一偏振分束器；
第一偏振分束器，用于将光学I/Q调制器发出的光分成两束线偏振光；
偏振合束器，用于将两束偏振方向正交的线偏振光合成一束，即为量子信号，通过量子信道传输至接收端。
进一步的，所述接收端包括：
第二偏振分束器，用于将偏振合束器送至的量子信号，分成两束线偏振光，然后将两束线偏振光分别送至光学混波器；
第二外腔可调谐激光器，用于产生本振光，并将本振光送至光学混波器；
光学混波器，用于将第二偏振分束器分离的线偏振光和第二外腔可调谐激光器产生的本振光进行干涉，实现对单信号的相位和幅度信息提取；
第一平衡接收器，用于接收从光学混波器发出的数字信号，将模拟同相信号发送给时域取样示波器；
第二平衡接收器，用于接收从光学混波器发出的数字信号，将模拟正交信号发送给时域取样示波器；
时域取样示波器，用于将接收到的模拟同相信号和模拟正交信号变换成图像。
本发明所采用的另一技术方案是，基于正交频分复用的量子密钥分配系统的实现方法，具体按照以下步骤进行：
步骤A、连续变量初始密钥分发步骤：发送端将第一外腔可调谐激光器产生的脉冲激光进行强度和相位调制后，对其进行正交频分复用技术处理，正交频分复用技术通过光学I/Q调制器实现，光学I/Q调制器同时对任意波形发生器发出的模拟同相信号和模拟正交信号也进行正交频分复用技术处理，光学I/Q调制器将信号转换成在频域上复用的正交信号，最后输出一束两个偏振方向正交的光，通过第一偏振分束器和偏振合束器后送入光纤信道进行远距离传输至接收端；
步骤B、连续变量密钥测量步骤：接收端将接收的信号先经过第二偏振分束器，第二偏振分束器将一束两个偏振方向的光分成两束线偏振光，然后将两束线偏振光送至光学混波器，光学混波器将第二偏振分束器分离的线偏振光和第二外腔可调谐激光器产生的本振光进行干涉，实现对单信号相位和幅度信息的接收和提取，第一平衡接收器接收从光学混波器发出的数字信号，将模拟同相信号发送给时域取样示波器，第二平衡接收器接收从光学混波器发出的数字信号，将模拟正交信号发送给时域取样示波器，时域取样示波器接收到的模拟同相信号和模拟正交信号变换成图像，获得最终安全的密钥。
本发明的有益效果是：提供了一种基于正交频分复用的量子密钥分配系统及其实现方法，在发送端利用正交频分复用技术，有效提高在量子通信过程中量子信号的传输效率，并推进了量子密码的实用化。
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是基于正交频分复用的量子密钥分配系统的结构设置图；
图2是正交频分复用技术的原理图。
图中，1.第一外腔可调谐激光器，2.强度调制器，3.相位调制器，4.频率合成器，5.第一偏振分束器，6.偏振合束器，7.任意波形发生器，8.光学I/Q调制器，9.第二偏振分束器，10.第二外腔可调谐激光器，11.光学混波器，12.第一平衡接收器，13.时域取样示波器，14.第二平衡接收器，15.移相器。
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。
基于正交频分复用的量子密钥分配系统，包括：
发送端，用于连续变量初始密钥分发，量子信号经过光纤通道进行远距离传输至接收端；
接收端，用于连续变量密钥测量，接收端对接收到的量子信号进行测量，获得最终安全的密钥。
如图1所示，发送端包括：
第一外腔可调谐激光器1，用于产生脉冲激光，并发送至强度调制器2；
强度调制器2，用于对第一外腔可调谐激光器1产生的脉冲激光进行强度调制；
相位调制器3，用于对强度调制器2发出的脉冲激光进行相位调制，并将光发送至光学I/Q调制器8；
移相器15，用来控制相位调制器3具体调相的大小；
频率合成器4，用来控制任意波形发生器7、移相器15和强度调制器2的频率，使其三个的频率保持一致；
任意波形发生器7，用作信号源，产生两路信号即模拟同相信号(I)、模拟正交信号(Q)，并将其发送至光学I/Q调制器8，任意波形发生器7采样时钟被频率合成器4锁定在根据不同需要可调控的频率范围内；
光学I/Q调制器8，用于将模拟同相信号和模拟正交信号以及相位调制器3发送的脉冲激光进行正交频分复用的调制，调制后输出一束两个偏振方向正交的光，并将光送至第一偏振分束器5；
第一偏振分束器5，用于将光学I/Q调制器8发出的光分成两束线偏振光；
偏振合束器6，用于将两束偏振方向正交的线偏振光合成一束，即为量子信号，通过量子信道传输至接收端，光正交通过第一偏振分束器5和偏振合束器6，能够产生一个符号的延迟，模拟极化分集发射机，节省频带资源；
接收端包括：
第二偏振分束器9，用于将偏振合束器6送至的量子信号，分成两束线偏振光，然后将两束线偏振光分别送至光学混波器11；
第二外腔可调谐激光器10，用于产生本振光，并将本振光送至光学混波器11；
光学混波器11，用于将第二偏振分束器9分离的线偏振光和第二外腔可调谐激光器10产生的本振光进行干涉，实现对单信号的相位和幅度信息提取；
第一平衡接收器12，用于接收从光学混波器11发出的数字信号，将模拟同相信号发送给时域取样示波器13；
第二平衡接收器14，用于接收从光学混波器11发出的数字信号，将模拟正交信号发送给时域取样示波器13；
时域取样示波器13，用于将接收到的模拟同相信号和模拟正交信号变换成图像。
一种基于正交频分复用的量子密钥分配系统的实现方法应用一种基于正交频分复用的量子密钥分配系统，具体按照以下步骤进行：
步骤A、连续变量初始密钥分发步骤：发送端将第一外腔可调谐激光器1产生的脉冲激光进行强度和相位调制后，对其进行正交频分复用技术处理，正交频分复用技术通过光学I/Q调制器8实现，光学I/Q调制器8同时对任意波形发生器7发出的模拟同相信号和模拟正交信号也进行正交频分复用技术处理，图2是光学I/Q调制器8运用正交频分复用技术中对信号进行处理的具体过程，在光学I/Q调制器8中，通过比特映射、串并转换、逆傅里叶变换、增加循环前缀、数模转换等步骤，将信号转换成在频域上复用的正交信号，最后输出一束两个偏振方向正交的光，通过第一偏振分束器5和偏振合束器6后送入光纤信道进行远距离传输至接收端；
步骤B、连续变量密钥测量步骤：接收端将接收的信号先经过第二偏振分束器9，第二偏振分束器9将一束两个偏振方向的光分成两束线偏振光，然后将两束线偏振光送至光学混波器11，光学混波器11将第二偏振分束器9分离的线偏振光和第二外腔可调谐激光器10产生的本振光进行干涉，实现对单信号相位和幅度信息的接收和提取，第一平衡接收器12接收从光学混波器11发出的数字信号，将模拟同相信号发送给时域取样示波器13，第二平衡接收器14接收从光学混波器11发出的数字信号，将模拟正交信号发送给时域取样示波器13，时域取样示波器13接收到的模拟同相信号和模拟正交信号变换成图像，获得最终安全的密钥。
通过在发送端将脉冲激光利用正交频分复用技术处理后，经过光纤通道进行远距离传输后由接收端接收，接收端进行解调，获得最终安全的密钥，有效提高在量子通信过程中量子信号的传输效率。
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 (1)

1.一种基于正交频分复用的量子密钥分配系统的实现方法，其特征在于，
采用基于正交频分复用的量子密钥分配系统，包括：
发送端，用于连续变量初始密钥分发，量子信号经过光纤通道进行远距离传输至接收端；
接收端，用于连续变量密钥测量，接收端对接收到的量子信号进行测量，获得最终安全的密钥；
所述发送端包括：
第一外腔可调谐激光器（1），用于产生脉冲激光，并发送至强度调制器（2）；
强度调制器（2），用于对第一外腔可调谐激光器（1）产生的脉冲激光进行强度调制；
相位调制器（3），用于对强度调制器（2）发出的脉冲激光进行相位调制，并将光发送至光学I/Q调制器（8）；
移相器（15），用来控制相位调制器（3）具体调相的大小；
频率合成器（4），用来控制任意波形发生器（7）、移相器（15）和强度调制器（2）的频率，使其三个的频率保持一致；
任意波形发生器（7），用作信号源，产生两路信号即模拟同相信号、模拟正交信号，并将其发送至光学I/Q调制器（8）；
光学I/Q调制器（8），用于将模拟同相信号和模拟正交信号以及相位调制器（3）发送的脉冲激光进行正交频分复用的调制，调制后输出一束两个偏振方向正交的光，并将光送至第一偏振分束器（5）；
第一偏振分束器（5），用于将光学I/Q调制器（8）发出的光分成两束线偏振光；
偏振合束器（6），用于将两束偏振方向正交的线偏振光合成一束，即为量子信号，通过量子信道传输至接收端；
所述接收端包括：
第二偏振分束器（9），用于将偏振合束器（6）送至的量子信号，分成两束线偏振光，然后将两束线偏振光分别送至光学混波器（11）；
第二外腔可调谐激光器（10），用于产生本振光，并将本振光送至光学混波器（11）；
光学混波器（11），用于将第二偏振分束器（9）分离的线偏振光和第二外腔可调谐激光器（10）产生的本振光进行干涉，实现对单信号的相位和幅度信息提取；
第一平衡接收器（12），用于接收从光学混波器（11）发出的数字信号，将模拟同相信号发送给时域取样示波器（13）；
第二平衡接收器（14），用于接收从光学混波器（11）发出的数字信号，将模拟正交信号发送给时域取样示波器（13）；
时域取样示波器（13），用于将接收到的模拟同相信号和模拟正交信号变换成图像；
具体按照以下步骤进行：
步骤A、连续变量初始密钥分发步骤：发送端将第一外腔可调谐激光器（1）产生的脉冲激光进行强度和相位调制后，对其进行正交频分复用技术处理，正交频分复用技术通过光学I/Q调制器（8）实现，光学I/Q调制器（8）同时对任意波形发生器（7）发出的模拟同相信号和模拟正交信号也进行正交频分复用技术处理，光学I/Q调制器（8）将信号转换成在频域上复用的正交信号，最后输出一束两个偏振方向正交的光，通过第一偏振分束器（5）和偏振合束器（6）后送入光纤信道进行远距离传输至接收端；
步骤B、连续变量密钥测量步骤：接收端将接收的信号先经过第二偏振分束器（9），第二偏振分束器（9）将一束两个偏振方向的光分成两束线偏振光，然后将两束线偏振光送至光学混波器（11），光学混波器（11）将第二偏振分束器（9）分离的线偏振光和第二外腔可调谐激光器（10）产生的本振光进行干涉，实现对单信号相位和幅度信息的接收和提取，第一平衡接收器（12）接收从光学混波器（11）发出的数字信号，将模拟同相信号发送给时域取样示波器（13），第二平衡接收器（14）接收从光学混波器（11）发出的数字信号，将模拟正交信号发送给时域取样示波器（13），时域取样示波器（13）接收到的模拟同相信号和模拟正交信号变换成图像，获得最终安全的密钥。
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