CN110912617A - 提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统及其实现方法，该系统中发射端，使用激光器、信号源和调制器提前制备好双模压缩态，经光束分束器后，对一半量子态进行外差检测，另一半量子态先做增光子操作，再做减光子操作，操作后的量子态通过水信道传输给接收端。接收端对接收到的量子态进行解调，对解调后的量子态进行零差探测，最终在有效距离内建立安全密钥。本发明将提升水下连续变量量子密钥分发技术，使用量子信号不易被第三方所窃听，保证了水下通信安全性；使用零差探测来过滤外界干扰光，实现在有外界光干扰的情况下也能达到很好的检测效果，延长了水下连续变量量子密钥分发的有效距离，为水下量子通信带来更多实用性。

Description

提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统及其实现 方法
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非高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法，尤其使用增减光子操作后优化水下连续变量量子密钥分发性能，来实现提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统及其实现方法。
背景技术
量子通信是一种新型的通信方法，量子密钥分发则是其中非常重要的一部分。水下通信在现代通信中至关重要，因为它涉及水下各种设备之间的信息交互。传统的水下通信方式是使用水下声学技术，它的缺点很明显，例如低扩展性，低带宽和安全性问题。为了解决这些问题，研究发现海底光通信可以有效地提高通信带宽并减少延迟。因此，水下光通信引起了人们的关注，并逐渐成为现代海洋通信的新宠。基于水下光通信的最新研究不仅提高了数据带宽，而且降低了误码率。尽管与水下声学技术相比，安全性有所提高，但是仍然存在一些致命的安全漏洞。幸运的是，连续变量量子密钥分发协议在理论研究中被证明是无条件安全的，这取决于其独特的物理属性。连续变量量子密钥分发的引入可以更好地解决水下通信安全问题。当前，光纤通道和自由空间都用于实现无条件安全的量子通信。
水下连续变量量子密钥分发的有效传输距离远小于光纤和空气通道的有效传输距离，但可以应用于较高的安全区域。例如，水下检测设备可以安全地将信息传输到水下平台。在这种模式下潜水艇与设备或设备与设备之间可以安全地共享加密信息。但是，原始的水下连续变量量子密钥分发协议受传输距离短的影响，这始终很难实现。我们提出在Alice发送端先进行光子增法操作然后进行光子减法操作，这将改善水下连续变量量子密钥分发的性能并延长其有效传输距离，允许人们建立最安全，最大的水下通信网络。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统，解决了现有技术中存在的水下连续变量量子密钥分发的性能低、有效距离过短的问题。
本发明的另一目的是提供一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统的实现方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统，由发射端和接收端组成；
所述发射端用于执行增减光子操作；
所述接收端用于接收和检测由发射端发出的量子信号；
发射端包含：
第一激光器，主要生成相干光(激光)后经脉冲调制器输出脉冲相干光信号，该信号将携带数据并传输给接收端；
信号源，输出模拟电信号，脉冲调制器和调制器的调制过程均受其控制；
脉冲调制器，将第一激光器发出的相干光调制成频率为10MHz的脉冲相干光信号，其调制过程受到信号源控制；
第一光束分束器，将脉冲调制器输出的脉冲相干光信号进行分离；
调制器，对第一光束分束器输出的相干光信号进行振幅调制，其调制过程受到信号源控制；
第二光束分束器，对调制器调制后的光进行分离，一部分用于第一电光探测器检测，另一部分进行增减光子操作；
增光子操作，对经第二光束分束器后的光信号进行增光子操作，提升信号强度；
减光子操作，对经增光子操作后的光信号进行减光子操作，提升量子间的纠缠度；
可调衰减器，对经减光子操作后的光信号进一步衰减；
接收端包括：动态偏振器和零差探测器；
动态偏振器，进行偏振反馈控制；
零差探测器，对接收到脉冲相干光信号进行探测，由第三光束分束器、第二电光探测器、第三电光探测器和差分放大器组成；
第三光束分束器，将从动态偏振器接收到的光信号进行分离；
第二电光探测器和第三电光探测器用于检测经第三光束分束器分离后的光信号强度；
差分放大器，对第二电光探测器和第三电光探测器探测结果进行差分放大。
进一步的，所述第一激光器输出光波长在450-550nm之间；信号源的最高采样频率为50GS/s，生成频率为10MHz的脉冲信号且幅度为5V；第一光束分束器为输出1:99的分束器，第二光束分束器和第三光束分束器则为50:50的分束器；脉冲调制器最高带宽为12.5Gb/s，且支持光波长范围为400-600nm调制；调制器支持的最高带宽为10GHz；可调衰减器适应的波长范围为400-600nm。此处的参数限定是本方案所需求的参数，相关参数是调试和计算后得到的值，使用这些参数将有利于获得理想的效果。
一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤S1：连续变量初始密钥分发步骤，具体为：初始连续密钥数据利用发射端通过相干态进行高斯调制，再经由增减光子操作后变成非高斯态，并通过水信道传输给接收端，由接收端进行解调检测以获得初始连续密钥数据；
步骤S2：初始连续密钥数据后的处理步骤，具体为：接收端对获取的初始连续密钥数据进行纠缠和加强保密后获得安全的比特密钥。
进一步的，所述步骤S1包括如下步骤：
步骤S11，第一激光器发出波长为520nm的相干光，脉冲调制器受信号源的控制将相干光调制成脉冲相干光信号，其频率为10Mhz；随后第一光束分束器将其分离为原信号1％能量的光信号；
步骤S12，调制器受到信号源的控制，对第一光束分束器输出的光信号进行振幅调制，调制后的光信号，光场正交分量X和P处于高斯分布；
步骤S13，第二光束分束器对调制器调制后的光信号进行分离，其中50％量子态被第一电光探测器检测；另50％量子态先进行增光子操作提升信号强度，然后进行减光子操作提升量子纠缠度；
步骤S14，可调衰减器对经过减光子操作后的光信号进行再次衰减，最后通过水信道传输给接收端。
进一步的，所述步骤S2包括如下步骤：
步骤S21，接收端对接收到的光信号使用动态偏振控器(13)进行偏振反馈控制；随后使用第三光束分束器对光信号进行分离；分离后的光信号分别被第二电光探测器和第三电光探测器检测，并将结果输出给差分放大器进行放大；
步骤S22，接收端将测量结果反向协调给发射端(通过经典网络告知测量结果)，通过私密放大后发射端与接收端将获得一组相同的密钥。
进一步的，所述增光子操作和减光子操作分别都包含一个光束分束器和一个探测器。
进一步的，所述水信道作为一个传输介质，发射端发出的脉冲光信号经由水信道传输给接收端。
本发明的有益效果：
1、通过在水下使用连续变量量子密钥分发，建立安全的水下通信环境。
2、通过使用零差探测可以过滤一部分干扰光，在有背景光的环境下也能有效检测。
3、通过在发射端使用先增光子操作再减光子操作，提高水下连续变量量子密钥分发性能，延迟水下通信的有效传输距离。通过在发射端增加“增减光子操作”提升了量子纠缠度，纠缠度的提升将有利于改善量子密钥分发的有效传输距离。有效传输距离的提升将有利于我们搭建水下安全通信网络成为现实。
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为提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统光路原图。
图2为增减光子操作光路示意图。
图3是水下连续变量量子密钥分发的安全密钥率在不同水质下，原始协议与提升后协议的对比图。
图中，1-发射端、2-接收端、3-第一激光器、4-脉冲调制器、5-信号源、6-第一光束分束器、7-调制器、8-第二光束分束器、9-第一电光探测器、10-增光子操作、11-减光子操作、12-可调衰减器、13-动态偏振器、14-第三光束分束器、15-第三电光探测器、16-第二电光探测器、17-差分放大器、18-零差探测器。
具体实施方式
下面将结合实施中的附图，对本发明中所涉及的技术进行完整诉述，这将有利于本领域的技术人员进一步的了解本发明。值得注意的是，所描述的仅为本发明的一部分实施，而不是全部实施。对于本领域的技术员,在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
(一)本发明的系统及其实现方法
一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统，由发射端1和接收端2组成；
所述发射端1用于执行增减光子操作；发射端1包含：第一激光器3，主要生成相干光(激光)后经脉冲调制器4输出脉冲相干光信号，该信号将携带数据并传输给接收端2；信号源5，输出模拟电信号，脉冲调制器4和调制器7的调制过程均受其控制；脉冲调制器4，将第一激光器3发出的相干光调制成频率为10MHz的脉冲相干光信号，其调制过程受到信号源5控制；第一光束分束器6，将脉冲调制器4输出的脉冲相干光信号进行分离；调制器7，对第一光束分束器6输出的相干光信号进行振幅调制，其调制过程受到信号源5控制；第二光束分束器8，对调制器7调制后的光进行分离，一部分用于第一电光探测器9检测，另一部分进行增减光子操作；增光子操作10，对经第二光束分束器8后的光信号进行增光子操作10，提升信号强度；减光子操作11，对经增光子操作10后的光信号进行减光子操作11，提升量子间的纠缠度；可调衰减器12，对经减光子操作11后的光信号进一步衰减；
所述接收端2用于接收和检测由发射端1发出的量子信号；接收端2包括：动态偏振器13和零差探测器18；动态偏振器13，进行偏振反馈控制；零差探测器18，对接收到脉冲相干光信号进行探测，由第三光束分束器14、第二电光探测器16、第三电光探测器15和差分放大器17组成；第三光束分束器14，将从动态偏振器13接收到的光信号进行分离；第二电光探测器16和第三电光探测器15用于检测经第三光束分束器14分离后的光信号强度；差分放大器17，对第二电光探测器16和第三电光探测器15探测结果进行差分放大。
其中，所述第一激光器3输出光波长在450-550nm之间；信号源5的最高采样频率为50GS/s，生成频率为10MHz的脉冲信号且幅度为5V；第一光束分束器6为输出1:99的分束器，第二光束分束器8和第三光束分束器14则为50:50的分束器；脉冲调制器4最高带宽为12.5Gb/s，且支持光波长范围为400-600nm调制；调制器7支持的最高带宽为10GHz；可调衰减器12适应的波长范围为400-600nm。
一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤S1：连续变量初始密钥分发步骤，具体为：初始连续密钥数据利用发射端1通过相干态进行高斯调制，再经由增减光子操作后变成非高斯态，并通过水信道传输给接收端2，由接收端2进行解调检测以获得初始连续密钥数据；
所述步骤S1包括如下步骤：
步骤S11，第一激光器3发出波长为520nm的相干光，脉冲调制器4受信号源5的控制将相干光调制成脉冲相干光信号，其频率为10Mhz；随后第一光束分束器6将其分离为原信号1％能量的光信号；
步骤S12，调制器7受到信号源5的控制，对第一光束分束器6输出的光信号进行振幅调制，调制后的光信号，光场正交分量X和P处于高斯分布；
步骤S13，第二光束分束器8对调制器7调制后的光信号进行分离，其中50％量子态被第一电光探测器9检测；另50％量子态先进行增光子操作10提升信号强度，然后进行减光子操作11提升量子纠缠度；
步骤S14，可调衰减器12对经过减光子操作11后的光信号进行再次衰减，最后通过水信道传输给接收端2；
步骤S2：初始连续密钥数据后的处理步骤，具体为：接收端2对获取的初始连续密钥数据进行纠缠和加强保密后获得安全的比特密钥；所述步骤S2包括如下步骤：
步骤S21，接收端2对接收到的光信号使用动态偏振器13进行偏振反馈控制；随后使用第三光束分束器14对光信号进行分离；分离后的光信号分别被第二电光探测器16和第三电光探测器15检测，并将结果输出给差分放大器17进行放大；
步骤S22，接收端2将测量结果反向协调给发射端1(通过经典网络告知测量结果)，通过私密放大后发射端1与接收端2将获得一组相同的密钥。
其中，所述增光子操作10和减光子操作11分别都包含一个光束分束器和一个探测器。所述水信道作为一个传输介质，发射端1发出的脉冲光信号经由水信道传输给接收端2。
图2为增减光子操作光路示意图，是对图1中的增光子操作10和减光子操作11进行进一步详细展示，主要包含了：BS(1,2,3,4)均表示光束分束器，分别对应的透射率为T(1,2,3,4)；B1表示经图2调制器7调制后的光信号；B2经增光子操作10后的光信号；B3经减光子操作11后的光信号。增光子操作10如图2所示，由调制器7调制后的状态B1和光子|1>一起经过一个透射率为T1的光束分束器，该透射率值根据所需增光子数量而决定；此时状态B1将分离为状态B2和状态B4；然后B4将被测量，只有当状态B4被测量到时才保留状态B2。减光子操作11如图2所示，由调制器7调制后的状态B2和光子|0>一起经过一个透射率为T2的光束分束器，该透射率值根据所需增光子数量而决定；此时状态B2将分离为状态和B3状态B5；然后将B5被测量，只有当状态B5被测量到时才保留状态B3。此处B1、B2、B3、B4、B5本质上没有差别，都是脉冲相干光信号，只是做了增减光子操作，提升了量子之间的纠缠度，有利于提升传输距离，在这里标记的不同角标，是因为在计算安全密钥率时，它们分别对应的矩阵和特征值都不一样。
(二)主要元器件选择
采用安捷伦N7714A作为第一激光器3，可以持续稳定的输出波长为520nm的激光；
采用泰克AWG700A任意波形发生器作为信号源5，该信号源5可以稳定的生成频率为10MHz的脉冲信号且幅度为5V；
采用索雷博BSN04光束分束器作为第一光束分束器6；
采用索雷博BSW04光束分束器作为第二光束分束器8和第三光束分束器14；
所设计的电光探测器均采用索雷博PDA435A平衡放大电光探测器；
采用索雷博V450A作为可调衰减器12；
采用AVANEX Powerbit F10作为脉冲调制器4；
(三)实施效果
用于衡量量子密钥分发性能一个关键指标就是密钥率与距离之间的关系，其密钥率必须为大于零。图3所示为不同水质下原始协议与采用本发明后对比图，图3中实线为原始协议性能表现，虚线为提升后的性能表现，从图中可以不管是在纯净水、海洋水还是海岸水中，采用本发明后其安全密钥率均有所提升。其中在纯净水中提升到了123.1m，相较于原始协议有着明显的提升。提升后的有效距离使得水下设备进行连续变量量子通讯更具有实际意义。图3的结果是基于连续变量量子密钥分发协议得到，协议本身及保证了光信号不被第三方所窃听，只要安全密钥率值>0,就说明是在对应的通讯系统是安全的。如图3，密钥率与有效传输距离数据图显示在不同的水质情况下，采用了增减光子操作相比未采用增减光子均得到很大提升。
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 (7)

1.一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统，其特征在于，由发射端(1)和接收端(2)组成；
所述发射端(1)用于执行增减光子操作；
所述接收端(2)用于接收和检测由发射端(1)发出的量子信号；
发射端(1)包含：
第一激光器(3)，主要生成相干光后经脉冲调制器(4)输出脉冲相干光信号，该信号将携带数据并传输给接收端(2)；
信号源(5)，输出模拟电信号，脉冲调制器(4)和调制器(7)的调制过程均受其控制；
脉冲调制器(4)，将第一激光器(3)发出的相干光调制成频率为10MHz的脉冲相干光信号，其调制过程受到信号源(5)控制；
第一光束分束器(6)，将脉冲调制器(4)输出的脉冲相干光信号进行分离；
调制器(7)，对第一光束分束器(6)输出的相干光信号进行振幅调制，其调制过程受到信号源(5)控制；
第二光束分束器(8)，对调制器(7)调制后的光进行分离，一部分用于第一电光探测器(9)检测，另一部分进行增减光子操作；
增光子操作(10)，对经第二光束分束器(8)后的光信号进行增光子操作(10)，提升信号强度；
减光子操作(11)，对经增光子操作(10)后的光信号进行减光子操作(11)，提升量子间的纠缠度；
可调衰减器(12)，对经减光子操作(11)后的光信号进一步衰减；
接收端(2)包括：动态偏振器(13)和零差探测器(18)；
动态偏振器(13)，进行偏振反馈控制；
零差探测器(18)，对接收到脉冲相干光信号进行探测，由第三光束分束器(14)、第二电光探测器(16)、第三电光探测器(15)和差分放大器(17)组成；
第三光束分束器(14)，将从动态偏振器(13)接收到的光信号进行分离；
第二电光探测器(16)和第三电光探测器(15)用于检测经第三光束分束器(14)分离后的光信号强度；
差分放大器(17)，对第二电光探测器(16)和第三电光探测器(15)探测结果进行差分放大。
2.根据权利要求1所述的一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统，其特征于，所述第一激光器(3)输出光波长在450-550nm之间；信号源(5)的最高采样频率为50GS/s，生成频率为10MHz的脉冲信号且幅度为5V；第一光束分束器(6)为输出1:99的分束器，第二光束分束器(8)和第三光束分束器(14)则为50:50的分束器；脉冲调制器(4)最高带宽为12.5Gb/s，且支持光波长范围为400-600nm调制；调制器(7)支持的最高带宽为10GHz；可调衰减器(12)适应的波长范围为400-600nm。
3.如权利要求1所述的一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：连续变量初始密钥分发步骤，具体为：初始连续密钥数据利用发射端(1)通过相干态进行高斯调制，再经由增减光子操作后变成非高斯态，并通过水信道传输给接收端(2)，由接收端(2)进行解调检测以获得初始连续密钥数据；
步骤S2：初始连续密钥数据后的处理步骤，具体为：接收端(2)对获取的初始连续密钥数据进行纠缠和加强保密后获得安全的比特密钥。
4.根据权利要求3所述的一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统的实现方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：
步骤S11，第一激光器(3)发出波长为520nm的相干光，脉冲调制器(4)受信号源(5)的控制将相干光调制成脉冲相干光信号，其频率为10Mhz；随后第一光束分束器(6)将其分离为原信号1％能量的光信号；
步骤S12，调制器(7)受到信号源(5)的控制，对第一光束分束器(6)输出的光信号进行振幅调制，调制后的光信号，光场正交分量X和P处于高斯分布；
步骤S13，第二光束分束器(8)对调制器(7)调制后的光信号进行分离，其中50％量子态被第一电光探测器(9)检测；另50％量子态先进行增光子操作(10)提升信号强度，然后进行减光子操作(11)提升量子纠缠度；
步骤S14，可调衰减器(12)对经过减光子操作(11)后的光信号进行再次衰减，最后通过水信道传输给接收端(2)。
5.根据权利要求3所述的一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统的实现方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：
步骤S21，接收端(2)对接收到的光信号使用动态偏振器(13)进行偏振反馈控制；随后使用第三光束分束器(14)对光信号进行分离；分离后的光信号分别被第二电光探测器(16)和第三电光探测器(15)检测，并将结果输出给差分放大器(17)进行放大；
步骤S22，接收端(2)将测量结果反向协调给发射端(1)，通过私密放大后发射端(1)与接收端(2)将获得一组相同的密钥。
6.根据权利要求1所述的一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统，其特征于，所述增光子操作(10)和减光子操作(11)分别都包含一个光束分束器和一个探测器。
7.根据权利要求3所述的一种提升水下连续变量量子密钥分发的增减光子系统的实现方法，其特征在于，所述水信道作为一个传输介质，发射端(1)发出的脉冲光信号经由水信道传输给接收端(2)。
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