CN110519057A - 量子密钥分发系统的经典信号编解码方法、同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种量子密钥分发系统的经典信号编解码方法、同步方法及装置，通过对同步信息与经典通信信息进行编码形成经典信号，因此经典信号中含有同步信息帧与经典通信信息帧，通过经典信道将经典信号传输至Bob端后，Bob端根据接收的同步信息帧恢复出用于量子密钥分发系统同步的同步信号。因此，本申请只需要通过经典信道与量子信道即可完成量子信号、同步信号以及经典信号的传输，相比较现有的方式，能够节省一条信道，因此有利于提高量子密钥分发系统的密钥成码率以及增加通信距离。此外，Alice端发出的经典信号为光信号，无需其他额外的器件设备，而且经典信道中传输的为光信号，相对网路或者电信号等信号的抗干扰能力比较高。

Description

量子密钥分发系统的经典信号编解码方法、同步方法及装置

技术领域

本申请涉及量子保密通信技术领域，具体涉及一种量子密钥分发系统的经典信号编解码方法、同步方法及装置。

背景技术

量子保密通信技术主要是基于量子密钥分发技术 (Quantum Key Distribution，QKD) ，QKD是利用量子力学特性来保证通信安全性，使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。量子密钥分发通常有两种方式：一种是基于单光子方案实现，另一种基于纠缠态方案实现，然而基于纠缠态的量子密钥分发技术还未能实现商业化，所以现有商用量子密钥分发技术基本上是基于单光子实现的。

现有的基于单光子实现的量子密钥分发过程中，发射端（Alice）和接收端（Bob）需要进行比对使用的基矢是否一致，这就需要Bob接收到的信息与Alice发射的信息同步。现有的同步方案如图1所示，Alice将量子信号的第一个光信号脉冲与同步信号的第一个光信号脉冲对齐，且同步信号的频率比量子信号的频率低的多，一般同步信号的频率比量子信号的频率低数百倍至上千倍，例如量子信号的发射频率为100MHz，同步信号的发射频率为100KHz。由于探测器的效率和光纤路径衰减的原因，Bob在每个同步信号的周期内只能接收到一两个量子信号的光信号脉冲，Bob以每次接收到的同步信号的光信号脉冲作为参考，测量某一探测到的量子信号的光信号脉冲与该同步信号的光信号脉冲之间的距离，即可确定出该量子信号的光信号脉冲的位置，从而完成Alice与Bob之间的同步。因此，只有完成同步过程后，量子密钥分发系统才可以进行后续的协商处理过程产生安全密钥，同步技术对于量子密钥分发系统来说具有重要的作用。

由于现有的一种量子密钥分发系统结构中存在量子信号、同步信号以及经典信号这三种光脉冲，这三种光脉冲的波长不同，通常采用波分复用的方式，耦合在一根光纤中进行传输，所以系统两端之间的光纤中除了传输量子信号光之外，还需要传输同步信号、经典信号。波分复用过程中，额外的插入损耗是限制系统最终性能的重要指标，使用信道的数量越多，插入损耗越大，量子保密通信具有明显差异。为了保证通信安全，量子保密通信要求出射光脉冲强度为单光子量级，不能通过提高发射功率抵消波分复用器件的插入损耗，系统的密钥成码率将受此影响有所下降。因此若能减少系统中的信道的数量，则有利于提高系统的密钥成码率，还可以容忍更高的信道损耗，增加通信距离。

发明内容

本申请提供一种量子密钥分发系统的经典信号编解码方法、同步方法及装置，以解决现有的方案由于信道的数量较多引起的密钥成码率较低的问题。

本申请的第一方面提供一种量子密钥分发系统的经典信号编解码方法，包括：

Alice端：

根据时钟信号调控经典信号发射器，使经典信号发射器发射的经典信号中每隔固定的时间间隔包含有同步信息帧；

Bob端：

接收所述经典信号并恢复出时钟信号；

根据恢复的时钟信号探测经典信号；

根据探测的经典信号中的同步信息帧恢复出同步信号。

优选地，根据时钟信号调控经典信号发射器，包括：

在时钟信号的某一上升沿处，调控经典信号发射器按照编码协议发射同步信息帧；

相隔固定的时间，调控经典信号发射器按照编码协议发射下一同步信息帧帧。

优选地，所述相邻两同步信息帧之间，调控经典信号发射器发射经典通信信息帧。

优选地，所述编码协议采用3B/4B、4B/5B、8B/10B、64B/66B、64/67B、128B/130B或128B/132B高速信号编码协议。

优选地，所述编码协议采用高速信号编码协议中K码。

优选地，所述经典信号的编码方式按照归零码进行编码。

优选地，所述根据探测的经典信号中的同步信息帧恢复出同步信号，包括：

探测经典信号，每当完成同步信息帧的探测时，则根据时钟信号在该时域生成用于同步的信号脉冲，该信号脉冲即恢复的同步信号。

本申请的第二方面提供一种量子密钥分发系统的经典信号编解码装置，包括：

Alice端：

经典信号调控模块，用于根据时钟信号调控经典信号发射器，使经典信号发射器发射的经典信号中每隔固定的时间间隔包含有同步信息帧；

Bob端：

接收模块，用于接收所述经典信号并恢复出时钟信号；

探测模块，用于根据恢复的时钟信号探测经典信号；

恢复模块，用于根据探测的经典信号中的同步信息帧恢复出同步信号。

优选地，经典信号调控模块包括：

同步信息帧调控模块，用于在时钟信号的某一上升沿处，调控经典信号发射器按照编码协议发射同步信息帧；

相隔固定的时间，调控经典信号发射器按照编码协议发射下一同步信息帧。

优选地，经典信号调控模块还包括：

经典通信信息帧调控模块，用于在所述相邻两同步信息帧之间，调控经典信号发射器发射经典通信信息帧。

本申请的第三方面提供一种量子密钥分发系统的同步方法，包括上述任意一项量子密钥分发系统的经典信号编解码方法；

Alice端还根据时钟信号调控量子信号发射器，发射量子信号；

Bob端根据恢复出同步信号对接收的量子信号进行同步。

优选地，所述经典信号与量子信号通过波分复用技术从Alice端发送至Bob端。

优选地，所述Alice端还根据时钟信号调控量子信号发射器，包括：

所述Alice端根据时钟信号调控量子信号发射器，使得量子信号发射器只在相邻两同步信息帧之间发射量子信号脉冲。

本申请的第四方面提供一种量子密钥分发系统的同步装置，包括上述任意一项所述的量子密钥分发系统的经典信号编解码装置，

Alice端还包括量子信号调控模块，用于根据时钟信号调控量子信号发射器，发射量子信号；

Bob端还包括同步模块，用于根据恢复出同步信号对接收的量子信号进行同步。

本申请提供一种量子密钥分发系统的经典信号编解码方法、同步方法及装置，与现有技术相比有以下优点：

1.本申请Alice端对同步信息与经典通信信息进行编码形成经典信号，因此经典信号中含有同步信息帧与经典通信信息帧，通过经典信道将经典信号传输至Bob端后，Bob端根据接收的同步信息帧恢复出用于量子密钥分发系统同步的同步信号。因此，本申请只需要通过经典信道与量子信道即可完成量子信号、同步信号以及经典信号的传输，相比较现有的方式，能够节省一条信道，因此有利于提高量子密钥分发系统的密钥成码率以及增加通信距离。

2.本申请可以将同步信息与经典通信信息根据各自的编码协议直接调控信号发射器发出光脉冲信号，该光脉冲信号可直接用于传输通信信息以及恢复同步信号。因此，本申请Alice端发出的经典信号为光信号，无需其他额外的器件设备，而且经典信道中传输的为光信号，相对网路或者电信号等信号的抗干扰能力比较高。因此本申请的量子密钥分发系统的经典信号编解码方法、同步方法及装置具有系统结构简单，抗干扰能力强的特点。

3.本申请的经典信号与量子信号可同时进行发送，也可根据经典信号的编码方式控制量子信号发射的状态，由于从Alice端传输至时经典信号与其量子信号传输的路径与环境相同，因此Bob端探测到经典信号中的同步信息编码时恢复出的同步信号可直接用于量子信号的同步，无需进行计算Bob端的经典信号的延时值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为现有的技术中的量子密钥分发的时序示意图；

图2为本申请的经典信号编解码的时序示意图；

图3为本申请的量子密钥分发系统的经典信号编解码装置结构示意图；

图4为本申请一种量子密钥分发系统的用于同步的时序示意图；

图5为本申请另一种量子密钥分发系统的用于同步的时序示意图；

图6为本申请的量子密钥分发系统的同步装置结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

本申请的第一方面提供一种量子密钥分发系统中的经典信号编解码方法，如图2所示的经典信号编解码的时序示意图，该方法包括：Alice端：根据时钟信号调控经典信号发射器，使经典信号发射器发射的经典信号中每隔固定的时间间隔包含有同步信息帧。该固定的时间间隔是根据经典通信信息脉冲的编码规则而定，该固定的时间间隔至少大于一个经典通信信息帧的时长。例如，若经典通信信息帧根据系统特点以及编码规则需要占用100ns的时长，则该固定的时间间隔则至少需要100ns。

Bob端：接收所述经典信号并恢复出时钟信号，本申请可根据现有光通信技术中的时钟信号编码与恢复规则进行根据经典信号恢复出时钟信号。根据恢复的时钟信号探测经典信号，当探测到经典信号中的同步信息帧，则根据同步信息帧恢复出同步信号，例如当探测到同步信息帧后，则Bob端产生一个用于量子信号同步的脉冲信号，该脉冲信号即为同步信号。

因此，本申请Alice端对同步信息与经典通信信息进行编码形成经典信号，因此经典信号中含有同步信息帧与经典通信信息帧，通过经典信道将经典信号传输至Bob端后，Bob端根据接收的同步信息帧恢复出用于量子密钥分发系统同步的同步信号。因而，本申请只需要通过经典信道与量子信道即可完成量子信号、同步信号以及经典信号的传输，相比较现有的方式，能够节省一条信道，因此有利于提高量子密钥分发系统的密钥成码率以及增加通信距离。

本申请可以将同步信息与经典通信信息根据各自的编码协议直接调控信号发射器发出光脉冲信号，该光脉冲信号可直接用于传输通信信息以及恢复同步信号。因此，本申请Alice端发出的经典信号为光信号，无需其他额外的器件设备，而且经典信道中传输的为光信号，相对网路或者电信号等信号的抗干扰能力比较高。因此本申请的量子密钥分发系统的经典信号编解码方法、同步方法及装置具有系统结构简单，抗干扰能力强的特点。

具体而言，根据时钟信号调控经典信号发射器，包括：在时钟信号的某一上升沿处，调控经典信号发射器按照编码协议发射同步信息帧；相隔固定的时间，调控经典信号发射器按照编码协议发射下一同步信息帧。本申请的同步信息帧所采用的编码协议采用3B/4B、4B/5B、8B/10B、64B/66B、64/67B、128B/130B或128B/132B高速信号编码协议。所述相邻两同步信息帧之间，调控经典信号发射器发射经典通信信息帧。其中，经典通信信息帧的编码协议可以与同步信息帧的编码协议不相同，具体可以根据系统需求选择合适的经典通信信息帧编码协议以及同步信息帧的编码协议，例如，经典通信信息帧的编码协议可以采用64B/66B，同步信息帧的编码协议可以采用8B/10B，当然经典通信信息帧也可以采用现有的光通信中其他适合的编码协议进行编码。

本申请的同步信息帧采用高速信号编码协议中的K码进行编码。在高速信号编码协议中有一些规定用于特殊用途的编码表，这些特殊用途的编码表中的编码称为K码，其中有一些在通信领域中用于信息同步的编码。因此，本申请可以利用K码对同步信息帧进行编码，当然也可以选择采用的编码协议中的其他编码，通过定义该编码也可用于对同步信息帧进行编码。

所述经典信号的编码方式按照归零码进行编码。由于本申请的方法用于量子密钥分发系统，因此采用归零码的方式能够降低经典信号的占空比，从而降低经典信号的光强，使得经典信号降低了对量子信号的影响。

所述根据探测的经典信号中的同步信息帧恢复出同步信号，包括：探测经典信号，每当完成同步信息帧的探测时，则根据时钟信号在该时域生成用于同步的信号脉冲，该信号脉冲即恢复的同步信号。由于根据时钟信号控制经典信号发射器生成经典信号，因此只要根据时钟信号，即可得知恢复出的同步信号脉冲的时钟，例如图2所示，根据时钟信号控制经典信号发射器生成同步信息帧1，则在探测时根据时钟信号即可得知探测的是同步信息帧1，从而恢复的同步的信号脉冲的时钟信息也是已知的。

本申请的第二方面提供一种量子密钥分发系统中的经典信号编解码装置，如图3所示的示意图，该装置包括：Alice端：经典信号调控模块，用于根据时钟信号调控经典信号发射器，使经典信号发射器发射的经典信号中每隔固定的时间间隔包含有同步信息帧；Bob端：接收模块，用于接收所述经典信号并恢复出时钟信号；探测模块，用于根据恢复的时钟信号探测经典信号；恢复模块，用于根据探测的经典信号中的同步信息帧恢复出同步信号。

优选地，经典信号调控模块包括：同步信息帧调控模块，用于在时钟信号的某一上升沿处，调控经典信号发射器按照编码协议发射同步信息帧；相隔固定的时间，调控经典信号发射器按照编码协议发射下一同步信息帧帧。

优选地，经典信号调控模块还包括：经典通信信息帧调控模块，用于在所述相邻两同步信息帧之间，调控经典信号发射器发射经典通信信息帧。

本申请的第三方面提供一种量子密钥分发系统的同步方法，如图4以及图5所示的示意图，包括上述任意一项量子密钥分发系统中的经典信号编解码方法；Alice端还根据时钟信号调控量子信号发射器，发射量子信号；Bob端根据恢复出同步信号和接收的量子信号完成量子密钥分发系统的同步。

由于量子信号属于弱光，Bob端在探测量子信号时由于量子信号在光纤链路中的衰减、探测效率等影响因素下，Bob端只能探测到约千分之一的量子信号脉冲，也就是量子信号每帧中平均只能探测到一两个量子信号脉冲，而且探测的量子信号脉冲位置是随机的，因此需要知道探测到的量子信号脉冲位置。而本申请的经典信号是依据时钟信号在Alice端进行编码，量子信号也是依据时钟信号在Alice端进行编码，即量子信号每个脉冲的时钟信息是已知的，因而量子信号的每帧与每帧中的脉冲与对应的经典信号中同步信息帧的时间差也是已知的。又由于恢复出的同步信号的脉冲时钟信息为已知的，当探测到量子信号脉冲时，只需要计算该探测的脉冲相对于对应的同步信息脉冲的时间差，即可得知探测的量子信号的脉冲位置，从而实现同步。

例如，根据时钟信号控制经典信号发射器生成同步信息帧1，则在探测时根据时钟信号即可得知探测的是同步信息帧1，从而恢复的同步的信号脉冲1；根据时钟信号控制量子信号发射器生成量子信号，则在探测时根据时钟信号即可得知探测的量子信号是第几帧，探测的脉冲时钟是多少。如图4所示量子信号脉冲1为第一帧量子信号，假设探测到该帧中一个光脉冲，则可得出该光脉冲的时钟信息，例如第三个光脉冲被探测到，则系统根据时钟信号能够得出第三个光脉冲的时钟信息，但是系统不知道第一帧中的第几个脉冲被探测到了，因此只需计算出该光脉冲的时间与信号脉冲1的时间差即可得知探测的是量子信号中第一帧量子信号中的第几个光脉冲被探测到了。

所述经典信号与量子信号通过波分复用技术从Alice端发送至Bob端。在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息，称为光波分复用技术，简称WDM。能够充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍；由于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本、由于光纤数量少，当出现故障时，恢复起来也迅速方便；有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本，系统中有源设备得到大幅减少，这样就提高了系统的可靠性。

优选地，所述Alice端还根据时钟信号调控量子信号发射器，包括：所述Alice端根据时钟信号调控量子信号发射器，使得量子信号发射器只在相邻两同步信息帧之间发射量子信号脉冲。即本申请的量子信号帧的时域与经典通信信息脉冲帧的时域相同，这样量子信号的帧与恢复的同步信号的脉冲可以方便的一一对应。此外，当然本申请也可控制量子信号发射器根据时钟信号一直进行发射量子信号脉冲，如图5所示的示意图，可以将量子信号的帧的时域包括经典通信信息脉冲帧与同步信息脉冲帧的时域之和相同，在探测时将探测到位于同步信息脉冲帧的时域中的量子信号光脉冲舍弃，这是由于同步信息脉冲帧的时域用于恢复同步信号，在该时域上由于同步信号没有被恢复出来，因此该时域探测到的量子信号光脉冲不能进行同步。

综上所述，本申请的量子秘钥分发系统采用全光通信网络的结构，即Alice端的经典信号发射器与量子信号发射器均直接发出的是光脉冲， Bob端直接接收上述脉冲进行探测，因此，经典信号与量子信号可同时进行发送，也可根据经典信号的编码方式控制量子信号发射的状态，由于从Alice端传输至时经典信号与其量子信号传输的路径与环境相同，因此Bob端探测到经典信号中的同步信息编码时恢复出的同步信号可直接用于量子信号的同步，无需进行计算Bob端的经典信号的延时值。

本申请的第四方面提供一种量子密钥分发系统的同步装置，如图6所示，该装置包括上述任意一项所述的量子密钥分发系统中的经典信号编解码装置，Alice端还包括量子信号调控模块，用于根据时钟信号调控量子信号发射器，发射量子信号；Bob端还包括同步模块，用于根据恢复出同步信号和接收的量子信号完成量子密钥分发系统的同步。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种量子密钥分发系统的经典信号编解码方法，其特征在于，包括：

Alice端：

根据时钟信号调控经典信号发射器，使经典信号发射器发射的经典信号中每隔固定的时间间隔包含有同步信息帧；

Bob端：

接收所述经典信号并恢复出时钟信号；

根据恢复的时钟信号探测经典信号；

根据探测的经典信号中的同步信息帧恢复出同步信号。

2.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统的经典信号编解码方法，其特征在于，根据时钟信号调控经典信号发射器，包括：

在时钟信号的某一上升沿处，调控经典信号发射器按照编码协议发射同步信息帧；

相隔固定的时间，调控经典信号发射器按照编码协议发射下一同步信息帧。

3.根据权利要求2所述的量子密钥分发系统的经典信号编解码方法，其特征在于，所述相邻两同步信息帧之间，调控经典信号发射器发射经典通信信息帧。

4.根据权利要求2-3任意一项所述的量子密钥分发系统的经典信号编解码方法，其特征在于，所述编码协议采用3B/4B、4B/5B、8B/10B、64B/66B、64/67B、128B/130B或128B/132B高速信号编码协议。

5.根据权利要求4所述的量子密钥分发系统的经典信号编解码方法，其特征在于，所述编码协议采用高速信号编码协议中K码。

6.根据权利要求5所述的量子密钥分发系统的经典信号编解码方法，其特征在于，所述经典信号的编码方式按照归零码进行编码。

7.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统的经典信号编解码方法，其特征在于，所述根据探测的经典信号中的同步信息帧恢复出同步信号，包括：

探测经典信号，每当完成同步信息帧的探测时，则根据时钟信号在该时域生成用于同步的信号脉冲，该信号脉冲即恢复的同步信号。

8.一种量子密钥分发系统的经典信号编解码装置，其特征在于，包括：

Alice端：

经典信号调控模块，用于根据时钟信号调控经典信号发射器，使经典信号发射器发射的经典信号中每隔固定的时间间隔包含有同步信息帧；

Bob端：

接收模块，用于接收所述经典信号并恢复出时钟信号；

探测模块，用于根据恢复的时钟信号探测经典信号；

恢复模块，用于根据探测的经典信号中的同步信息帧恢复出同步信号。

9.根据权利要求8所述的量子密钥分发系统的经典信号编解码装置，其特征在于，经典信号调控模块包括：

同步信息帧调控模块，用于在时钟信号的某一上升沿处，调控经典信号发射器按照编码协议发射同步信息帧；

相隔固定的时间，调控经典信号发射器按照编码协议发射下一同步信息帧帧。

10.根据权利要求9所述的量子密钥分发系统的经典信号编解码装置，其特征在于，经典信号调控模块还包括：

经典通信信息帧调控模块，用于在所述相邻两同步信息帧之间，调控经典信号发射器发射经典通信信息帧。

11.一种量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项量子密钥分发系统的经典信号编解码方法；

Alice端还根据时钟信号调控量子信号发射器，发射量子信号；

Bob端根据恢复出同步信号对接收的量子信号进行同步。

12.根据权利要求11所述的量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于，所述经典信号与量子信号通过波分复用技术从Alice端发送至Bob端。

13.根据权利要求11或12所述的量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于，所述Alice端还根据时钟信号调控量子信号发射器，包括：

所述Alice端根据时钟信号调控量子信号发射器，使得量子信号发射器只在相邻两同步信息帧之间发射量子信号脉冲。

14.一种量子密钥分发系统的同步装置，其特征在于，包括权利要求8-10任意一项所述的量子密钥分发系统的经典信号编解码装置，

Alice端还包括量子信号调控模块，用于根据时钟信号调控量子信号发射器，发射量子信号；

Bob端还包括同步模块，用于根据恢复出同步信号对接收的量子信号进行同步。