CN109586911A - 基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种量子密钥分发技术领域的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，包括：步骤1：在相干光通信信号上叠加量子信号，实现相干光通信信号与量子信号的同步传输；步骤2：对于接收过程中的载波相位漂移问题，通过数字信号处理技术进行载波恢复，实现相干光通信信号与量子信号的分离。本发明将量子信号叠加在原有的相干光通信信号上，使相干光系统在通信过程中携带量子信号信息，并在接收端采用数字信号处理技术进行载波相位恢复以及经典和量子信号的分离，实现了在一套设备上同时进行经典通信和量子通信，该方法既能够满足量子密钥分发的需求，又能够降低其实际实现的成本，同时也提升了通信中的信道利用率。
Description
技术领域
本发明涉及量子密钥分发技术领域，具体地，涉及一种基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法。
背景技术
在信息技术迅速发展的背景下，人们对信息安全性的需求日益增加。虽然传统经典保密方案提供了较为安全的保密方式，但其安全性是建立在数学计算安全性之上，而随着量子计算机的快速发展，其计算安全性将面临威胁。
一方面，基于量子力学基本原理的量子密钥分发方案具有物理上的无条件安全性，近年来引起了人们的广泛关注。连续变量量子密钥分发使量子密钥分发方案的一种，它基于光场正交分量的测不准原理，保障了密钥分发的安全性，最终生成绝对安全的密钥。
另一方面，虽然当前量子密钥分发技术已经逐渐成熟，但其昂贵的设备价格也阻碍了其商用化前进的脚步。由于量子密钥分发容易被光纤中其它信道所干扰，所以只有单独铺设光纤来进行量子密钥分发，极大地抬高了量子密钥分发的成本。当前量子密钥分发的共纤传输是该研究领域的热点，通过共纤传输，量子密钥分发可以基于已有的光纤骨干网进行密钥信息的传递，极大地降低了密钥分发的成本，可推动该技术的商业化进程。
经对现有技术的检索，申请号为201811043729.1的中国发明专利公开了一种基于测量设备无关的连续变量量子密钥分发方法及系统，包括：热源分束步骤；量子态的被动制备步骤：选择两束光源的一束光源进行本地共轭平衡零差探测，将另一束光源衰减到需要的调制方差，形成量子态的制备；发送步骤：将制备的量子态发送至第三方；接收测量步骤：第三方对接收到的量子态进行贝尔态测量；结果公布步骤：第三方公布贝尔态测量的结果；安全密钥建立步骤：根据贝尔态测量的结果来建立安全的密钥。该发明采用被动制备，成本较低，并不严格需要单模热源，多模热源同样完成量子态的制备，但该专利申请在制备过程中引入一个额外的过噪声，通过提高热态平均光子数也无法有效抑制该额外的过噪声。
因此，有必要设计一种能够满足量子密钥分发的需求、有效降低量子密钥分发的成本，同时能够提升通信中的信道利用率的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，本发明能够满足量子密钥分发的需求、有效降低量子密钥分发的成本，同时能够提升通信中的信道利用率的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法。
本发明涉及一种在现有相干光通信系统上，采用在相干光通信信号上叠加量子信号的方式，来实现相干光通信信号和量子信号的共同传输，并通过接收端的数字信号处理技术来进行数据恢复的一种密钥分发方案。
根据本发明提供的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：
步骤1：在相干光通信信号上叠加量子信号，实现相干光通信信号与量子信号的同步传输；
步骤2：对于通信过程中的载波相位漂移问题，通过数字信号处理的方式进行载波恢复，并最终实现相干光通信信号与量子信号的分离；
优选地，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：采用强度调制器对激光器发出的连续激光进行切割，使连续激光转化为光脉冲序列；
步骤1.2：将光脉冲序列输入到IQ调制器中，并加载调制信号实现相干光通信信号的正交相移键控调制；
步骤1.3：将调制后的光信号输入到另一个IQ调制器中，并加载调制信号实现量子信号的高斯调制；
步骤1.4：将调制后的光信号通过标准单模光纤传输到接收端；
步骤A5：在接收端采用偏振控制器对光信号的偏振进行调整，使光信号的偏振与本振光的偏振对齐；
步骤1.6：将光信号与本振光输入到光混合器中，并通过两组平衡零差探测器进行信号探测，实现外差相干检测；
优选地，步骤1.2和1.3中，使用的IQ调制器需要工作在正交偏置电压上，保障调制信息等概率出现。并且要确保调制信号独立不相关，保障密钥分发过程中的安全性。
优选地，步骤1.6中，信号光的偏振纠偏后要与本振光严格对齐，保证其充分干涉。并且平衡探测器需通过衰减器调整其平衡性，确保相干检测的对称性。
优选地，所述步骤2如下：
步骤2：对于通信过程中的载波相位漂移问题，通过数字信号处理技术进行载波恢复，并最终实现相干光通信信号与量子信号的分离；
优选地，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：对接收到的电信号进行过采样，通过遍历电信号数据寻找峰值，将峰值进行保存；
步骤2.2：对得到的采样峰值进行分段处理，并采用数字信号处理技术，对每一段数据进行相位评估，评估的相位值用于对数据进行相位补偿，实现数据块的相位恢复；
步骤2.3：恢复后的信号通过参数评估得到系统的透过率，并估出相干光通信信号传输后的强度，接收信号的强度去除相干光通信信号的强度得到接收端量子信号，使得相干光通信信号与量子信号相分离；
步骤2.4：将获得的量子信号数据与发送端的调制数据进行协商译码，并通过保密增强的处理得到最终的密钥；
优选地，步骤2.2中，分段长度需要根据实际相位噪声大小来进行分割，若相位噪声较大，则分段长度要短，这样才能确保每段的相位评估能够跟踪到相位的变化；相反，若相位噪声较小，则分段长度要长，从而提升评估的精度。
优选地，步骤2.3中，采用参数评估的方式来得到信道实际透过率，从而评估出相干光通信信号达到接收端的实际强度，再从接收到的信号中除去这一部分，得到接收端的量子信号强度。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，将量子信号叠加在原有的相干光通信信号上，使相干光系统在通信过程中携带量子信号信息，并在接收端采用数字信号处理技术进行载波相位恢复以及经典和量子信号的分离，从而实现了在一套设备上同时进行经典通信和量子通信，该方法既能够满足量子密钥分发的需求，又能够降低其实际实现的成本，同时也提升了通信中的信道利用率；
2、本发明的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，量子密钥，该密钥可用作传输数据的加密，保障传输数据的绝对安全性。同时，经典信息也可用作经典信息的传输，极大地提升了该系统的效率。
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为共同传输系统结构图；
图2为接收端数字信号处理流程图。
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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例中，本发明的一种基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：
步骤1：在相干光通信信号上叠加量子信号，实现相干光通信信号与量子信号的同步传输；
步骤2：对于接收过程中的载波相位漂移问题，通过数字信号处理的方式进行载波恢复，实现相干光通信信号与量子信号的分离。
接下来对本发明进行详细的描述。
本发明的目的是提供一种基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，能够满足量子密钥分发的需求、有效降低量子密钥分发的成本，同时能够提升通信中的信道利用率。
由于人们对网络信息安全的需求越来越高，与此同时又希望量子密钥分发的成本降低，而基于相干光通信系统的量子密钥分发能够同时满足以上两个条件，故成为我们研究的课题。首先连续变量量子密钥分发是基于量子力学的基本原理保障其密钥的无条件安全，即使在未来计算能力强大的量子计算机的攻击下，仍然能够安全地向异地提供密钥。另一方面，为了推进量子密钥分发的商用化，人们希望能够在现有的光纤系统架构下进行密钥分发，从而节省铺设光纤所带来的开销。我们的方案基于现有的相干光通信系统，在其相干光通信信号上叠加量子信号，使得该系统在运作过程中同时能实现量子密钥的分发，如此便可实现经典信息与量子信息的同步传输，降低量子密钥分发的成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
我们首先构建了经典信息与量子信息同步传输的系统。
整个系统结构如图1所示，图1中：CW_LASER1和CW_LASER2表示连续激光器,IQM1和IQM2表示IQ调制器，AM表示强度调制器，PC为偏振控制器，HYBRID表示光混合器，BPD1和BPD2表示平衡探测器。
在发送端，我们首先将连续激光器发出的激光输入到强度调制器中，通过它实现脉冲的切割，产生光脉冲序列。紧接着我们采用IQ调制器进行相干光通信信号的正交相位调制，然后采用另一个IQ调制器实现量子信号的高斯调制。将调制后的信号通过标准单模光纤从发送端传递到接收端。
接收端接收到信号后，首先采用偏振控制器对它的偏振进行调整，使其和本振光的偏振对齐，确保完全干涉。紧接着采用光混合器与本振光进行混合干涉，并采用两组平衡探测器进行外差检测，得到两路正交分量的电信号值。
数字信号处理部分流程如图2所示，当我们接收到两路电信号之后，我们将首先对信号进行采样，并通过遍历样本找到信号峰值，将信号峰值保存。然后我们对一整块的数据进行分段，若相位噪声大，则采用小分段保障实时跟踪相位变化，若相位噪声小，则采用大分段使相位评估更为精准。
分段之后便对每段的相位漂移值进行评估，用评估的数据来进行每段的载波相位恢复，该过程能确保接收端的数据与发送端的数据实现相位对齐，以便后续的密钥提取。
接下来我们利用发送接收的两组数据进行透过率的评估，进而评估出接收端的相干光通信信号强度，通过在接收端信号中去除该强度值，得到量子信号的大小，使得相干光通信信号与量子信号相分离。
将得到的量子信号进行数据协商以及保密增强，生成最终的量子密钥，该密钥可用作传输数据的加密，保障传输数据的绝对安全性。同时，经典信息也可用作经典信息的传输，极大地提升了该系统的效率。
综上所述，本发明的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，将量子信号叠加在原有的相干光通信信号上，使相干光系统在通信过程中携带量子信号信息，并在接收端采用数字信号处理技术进行载波相位恢复以及经典和量子信号的分离，从而实现了在一套设备上同时进行经典通信和量子通信，该方法既能够满足量子密钥分发的需求，又能够降低其实际实现的成本，同时也提升了通信中的信道利用率；该量子密钥可用作传输数据的加密，保障传输数据的绝对安全性。同时，经典信息也可用作经典信息的传输，极大地提升了该系统的效率。
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 (7)
1.一种基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在相干光通信信号上叠加量子信号，实现相干光通信信号与量子信号的同步传输；
步骤2：对于接收过程中的载波相位漂移问题，通过数字信号处理的方式进行载波恢复，实现相干光通信信号与量子信号的分离。
2.根据权利要求1所述的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：采用强度调制器对激光器发出的连续激光进行切割，使连续激光转化为光脉冲序列；
步骤1.2：将光脉冲序列输入到IQ调制器中，并加载调制信号实现相干光通信信号的正交相移键控调制；
步骤1.3：将调制后的光信号输入到另一个IQ调制器中，并加载调制信号实现量子信号的高斯调制；
步骤1.4：将调制后的光信号通过标准单模光纤传输到接收端；
步骤1.5：在接收端采用偏振控制器对光信号的偏振进行调整，使光信号的偏振与本振光的偏振对齐；
步骤1.6：将光信号与本振光输入到光混合器中，并通过两组平衡零差探测器进行信号探测，实现外差相干检测。
3.根据权利要求1所述的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：对接收到的电信号进行过采样，通过遍历电信号数据寻找峰值，将峰值进行保存；
步骤2.2：对得到的采样峰值进行分段处理，采用数字信号处理技术，对每一段数据进行相位评估，评估的相位值用于对数据进行相位补偿，实现数据块的相位恢复；
步骤2.3：恢复后的信号通过参数评估得到系统的透过率，并估出相干光通信信号传输后的强度，接收信号的强度去除相干光通信信号的强度得到接收端量子信号，使得相干光通信信号与量子信号相分离；
步骤2.4：将获得的量子信号数据与发送端的调制数据进行协商译码，并通过保密增强的处理得到最终的密钥。
4.根据权利要求2所述的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，步骤1.2和1.3中，使用的IQ调制器需要工作在正交偏置电压上，用于确保调制信息概率出现，并满足调制信号呈现独立不相关。
5.根据权利要求2所述的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，步骤1.6中，信号光的偏振纠偏后要与本振光对齐，使得信号光的偏振能够充分干涉，平衡探测器需通过衰减器调整其平衡性，用于确保相干检测的对称性。
6.根据权利要求3所述的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，步骤2.2中，分段长度的分割根据实际相位噪声进行，若相位噪声较大，则分段长度要短，用于确保每段的相位评估能够跟踪到相位的变化；相反，若相位噪声较小，则分段长度要长，从而提升评估的精度。
7.根据权利要求3所述的基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，步骤2.3中，采用参数评估的方式来得到信道实际透过率，从而评估出相干光通信信号达到接收端的实际强度，再从接收到的信号中除去这一部分，得到接收端的量子信号强度。
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