CN108599945A - 一种适用于连续变量量子密钥分发系统的高斯调制数据生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于连续变量量子密钥分发系统的高斯调制数据生成方法，产生可直接用于高斯调制的高斯随机数。其实现步骤如下，步骤1：使用平衡零拍探测器测量真空态散粒噪声源，直接制备高斯原始随机数；步骤2：估算原始数据中的真随机数含量，用于决定随机提取操作中需要去除的高斯原始随机数低得比特位数，获得两组等长的高斯随机数；步骤3：评估所需高斯随机数的数据精度，利用多个高斯随机数合成所需数据精度高斯随机数。本发明可直接产生量子高斯随机数，用于连续变量量子密钥分发系统中实现高效高斯调制。

Description

一种适用于连续变量量子密钥分发系统的高斯调制数据生成 方法
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，特别涉及连续变量量子密钥分发系统中高斯量子态制备的方案，尤其是一种用于连续变量量子密钥分发系统中，基于平衡零拍探测器搭建量子随机数发生器，用于生成适用于连续变量量子密钥分发系统的高斯调制数据的方法。
背景技术
随机数在数值模拟、统计抽样、博彩、加密等领域有着广泛的应用。它的随机性影响着各种应用的性能。特别在量子密钥分发系统中，高速实时的随机数发生器是保证系统无条件安全及高性能的重要基础。怎样安全可靠地产生高速、真随机的随机序列是密码学领域重要的研究方向，具有重要的理论研究价值和迫切的实际应用需求。量子随机数发生器基于量子力学理论内在的随机性，理论可证能产生具有真正不可预测性的无穷长真随机数序列。然而在实际系统中，由于器件的非理想性导致实际系统的安全性存在漏洞，如何克服这些安全漏洞就显得尤为总要。
相干态连续变量量子密钥分发系统基于高斯调制实现安全的密钥分发，安全的高斯调制是整个系统安全性的重要基石，目前高斯调制所用的随机数多基于各种随机数发生器产生均匀随机数后再经由matlab等软件或者FPGA等硬件转化为高斯随机数后，再利用高斯随机数生成均匀随机数和瑞利分布的随机数，通过分别调制相位调制器和强度调制器得到符合高斯分布的随机数。这种方式虽能满足系统的功能要求，但是由于操作步骤繁杂，在实际应用过程中非常的不方便。
为了简化系统设计，同时保证随机数和系统的安全性，我们基于量子随机源直接制备符合要求的高斯随机数，并以此作为基础对系统输入的脉冲光进行高斯调制，高效便捷地得到安全的高斯信号，从而优化了连续变量量子密钥分发系统，具有较大的实用价值。本方案具有系统简单，容易实现，安全性有保证，且高斯态制备速率快等特点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对实际连续变量量子密钥分发系统对高速安全高斯态制备的需求，本发明提出了一种使用基于平衡零拍探测器检测量子随机源直接制备安全的高斯随机数，并利用该高斯随机数高效生成符合瑞利分布和均匀分布的随机数后直接转为电信号加载在强度调制器和相位调制器上，实现安全高效的高斯态制备，为高速连续变量量子密钥分发系统的实现奠定坚实的基础。
(二)技术方案
本发明提供的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的高斯调制数据生成方法，包括三个步骤：
步骤1：使用平衡零拍探测器测量真空态散粒噪声源，直接制备高斯原始随机数；
步骤2：估算原始数据中的真随机数含量，用于决定随机提取操作中需要去除的高斯原始随机数低得比特位数，获得两组等长的高斯随机数；
步骤3：评估所需高斯随机数的数据精度，利用多个高斯随机数合成所需数据精度高斯随机数。
上述步骤按照顺序依次进行。
所述的系统实现使用平衡零拍探测器测量真空态散粒噪声源，直接制备高斯原始随机数，是指真空态散粒噪声经零差检测后所得到的结果服从高斯分布，可作为高斯随机操作的数据来源，步骤1包括如下步骤：
步骤1a：搭建基于平衡零拍探测器测量真空态散粒噪声的量子随机数发生器系统，本征光与真空态同时输入50:50分束器的两输入端，分束器两输出端接入平衡零拍探测器，实现对真空态散粒噪声的测量；
步骤1b：所探测的电信号经由模数转换器转为数字信号，所得原始数据服从高斯分布。
所述的通过随机提取操作去除高斯原始随机数低位，剔除经典电噪声的影响，获取两组安全等长的高斯随机数，是指实际系统中由于器件的非理想导致不可避免地会引入电噪声，这部分电噪声可能被窃听者获取或操控，导致随机数的安全性难以保证。为了消除经典电噪声的影响，必须评估出实际探测信号中真随机性所占的含量，并利用可证明安全的随机提取工具将它提取出来，从而获取安全的真随机数。步骤2包括如下步骤：
步骤2a：通过获取加本征光与不加本征光时所得的数据方差，分别记为测量数据方差和电噪声方差，并用于计算原始高斯随机数中真随机数的比特长度。
步骤2b：将计算原始高斯随机数中真随机数的比特长度值向下取整为h，保留原始数据非零比特位的前h比特，直接剔除剩余的位数，从而得到不受经典电噪声影响的安全的高斯随机数。
其中，所述步骤2a中分加本征光和不加本征光两种情况获取数据并计算方差，不加本征光时所测得的数据为系统电噪声的值，它服从高斯分布，加本征光时测得的数据为系统正常工作时真空涨落信号(散粒噪声)与电噪声的叠加值，它也服从高斯分布，由于电噪声和散粒噪声相互独立，所以可以获得散粒噪声的方差为前两者之差。根据最小熵的定义，可以获知获取原始高斯随机数中真随机数的比特长度；所述步骤2b中根据步骤2a可以得到原始数据中安全真随机数的比特长度，由于实际系统中，电噪声的幅值总体较小，对于采样所得的信号而言，电噪声仅影响信号的低比特位，通过去除信号的低比特位，保留高比特位，获取安全的高斯随机数。
所述的评估所需高斯随机数的数据精度，利用多个高斯随机数合成所需数据精度高斯随机数，是指不同的系统对随机数的数据精度要求不同，需要根据实际系统需求评估所需高斯随机数的数据精度；由于独立的高斯随机变量相加仍为高斯随机数的性质，故而将k个高斯随机数分为一组，每个数分别乘以系数a1，a2，…，ak后相加和，可获得所需精度的高斯随机数。步骤3包括如下步骤：
步骤3a：根据实际系统需求评估所需高斯随机数的数据精度；
步骤3b：利用独立的高斯随机数相加仍为高斯随机数的性质，将k个高斯随机数分为一组，每个数分别乘以系数a1，a2，…，ak后相加和，获得所需精度的高斯随机数，该高斯随机数可用于进行高斯信号调制。
(三)有益效果
本发明通过基于平衡零拍探测器探测真空散粒噪声，并直接进行高斯提取获得高斯随机数，利用所得高斯随机数产生调制信息直接加载在调制器上实现高斯态的制备，相比于原有的高斯态制备方案，本方案具有安全性高，结构简单，高斯态制备速率高等优点。
附图说明
图1为本发明的原理实现框架示意图
具体实施方式
本发明通过本发明通过基于平衡零拍探测器探测真空散粒噪声，并直接进行高斯提取获得高斯随机数，利用所得高斯随机数产生调制信息直接加载在调制器上实现直接高速制备高斯态。具体步骤如下：
1.搭建基于平衡零拍探测器测量真空态散粒噪声的量子随机数发生器系统，本征光与真空态同时输入50:50分束器的两输入端，分束器两输出端接入平衡零拍探测器，实现对真空态散粒噪声的测量。所探测的电信号经由模数转换器转为数字信号，所得原始数据服从高斯分布。通过调整本征光的大小，使得模数转化器的采样输入电压范围为所测得的数据标准差的4至5倍，此时获得最优的有效位数利用率。
2.通过获取加本征光与不加本征光时所得的数据方差，分别计算得到他们的方差和从而获取原始高斯随机数中真随机数的比特长度为将Hmin(m|e)向下取整为h，保留原始数据非零的前h比特，直接剔除剩余的位数，从而得到不受经典电噪声影响的安全的高斯随机数。
3.将步骤2中的高斯随机数均分为2组，根据实际系统需求评估所需高斯随机数的数据精度，利用独立的高斯随机数相加仍为高斯随机数的性质，将k个高斯随机数分为一组，每个数分别乘以系数a1，a2，…，ak后相加和，获得所需精度的高斯随机数；
4.将所得的两组高斯随机数为U1和U2，利用计算平台进行实时的数学运算，运算包括和P＝arctan(U1/U2)，其中X服从瑞利分布，P服从均匀分布；依据已知的强度调制器和相位调制器的半波电压，将瑞利分布的随机数和均匀分布的随机数转为相应的电信号后分别加载在强度调制器和相位调制器上，实现高效高速的高斯态制备。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种适用于连续变量量子密钥分发系统的高斯调制数据生成方法，其特征在于，包括：
步骤1：使用平衡零拍探测器测量真空态散粒噪声源，直接制备高斯原始随机数；
步骤2：估算原始数据中的真随机数含量，用于决定随机提取操作中需要去除的高斯原始随机数低得比特位数，获得两组等长的高斯随机数；
步骤3：评估所需高斯随机数的数据精度，利用多个高斯随机数合成所需数据精度高斯随机数。
上述步骤按照顺序依次进行。
2.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的高斯调制数据生成方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1a：本征光与真空态同时输入50:50分束器的两输入端，分束器两输出端接入平衡零拍探测器，实现对真空态散粒噪声的测量；
步骤1b：所探测的电信号经由模数转换器转为数字信号，所得原始数据服从高斯分布。
3.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的高斯调制数据生成方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2a：通过获取加本征光与不加本征光时所得的数据方差，分别记为测量数据方差和电噪声方差，并用于计算原始高斯随机数中真随机数的比特长度。
步骤2b：将计算原始高斯随机数中真随机数的比特长度值向下取整为h，保留原始数据的非零比特位的前h比特，剔除剩余的比特，得到两组不受经典电噪声影响的安全的高斯随机数。
4.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的高斯调制数据生成方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：
步骤3a：根据实际系统需求评估所需高斯随机数的数据精度；
步骤3b：利用独立的高斯随机数相加仍为高斯随机数的性质，将k个高斯随机数分为一组，每个数分别乘以系数a1，a2，…，ak后相加和，获得所需精度的高斯随机数。
5.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发系统的高斯调制数据生成方法，其特征在于，所述步骤1a中所述的50:50耦合器可以是偏正分束器，亦可以是普通分束器；步骤2a中所得最小熵用于获知安全的随机比特位数下界，利用实时估算的可提取真随机数比率进行随即提取，保证了系统的安全性；步骤2b中所指的两组高斯随机数的生成，可以在将原始高斯数据直接分为两组等长的高斯随机数后再进行高斯随机提取，也可以在对原始高斯随机数进行高斯随机提取操作后均分为两组等长的高斯随机数。
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