CN111130780B - 跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统 - Google Patents

跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111130780B
CN111130780B CN201911423038.9A CN201911423038A CN111130780B CN 111130780 B CN111130780 B CN 111130780B CN 201911423038 A CN201911423038 A CN 201911423038A CN 111130780 B CN111130780 B CN 111130780B
Authority
CN
China
Prior art keywords
receiving end
bob
alice
electro
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201911423038.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111130780A (zh
Inventor
郭迎
莫伟
陈国俊
彭清泉
吴学林
曹昱
唐瑞明
毛云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Wuxi Taihu University
Original Assignee
Central South University
Wuxi Taihu University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University, Wuxi Taihu University filed Critical Central South University
Priority to CN201911423038.9A priority Critical patent/CN111130780B/zh
Publication of CN111130780A publication Critical patent/CN111130780A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111130780B publication Critical patent/CN111130780B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H04L9/0855—Quantum cryptography involving additional nodes, e.g. quantum relays, repeaters, intermediate nodes or remote nodes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，由受信任的中间方通过离散调制制备八态量子态，经光子减法运算后分别发送给爱丽丝和鲍勃，爱丽丝和鲍勃分别对接收到的量子态解调和零差探测，在有效距离内建立安全密钥。本发明将提升自由空间下连续变量量子密钥分发技术，由信任的中间方制备并发送量子态，使其系统具备设备无关性，确保通信安全性；光子减法操作可以提升量子间纠缠度从而提升传输距离；零差探测可以有效的过滤外界对光信号的干扰，实现即使对光信号有一定的影响也能很好的得到检测结果。本方案面向空气‑水信道下的设备无关性，利用离散调制连续变量量子密钥分发，为量子在自由空间通信带来更多实用性。

Description

跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统
技术领域
本发明属于自由空间连续变量量子密钥分发技术领域，涉及一种跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统。
背景技术
量子力学定律决定接收端爱丽丝和接收端鲍勃可以使用量子密钥分发(QKD)在非安全量子信道下实现安全的信息传输。通常，QKD使用弱激光脉冲的相位信息作为信息载体，距离越远QKD的安全性越低。造成这种现象的主要原因之一是量子间纠缠度迅速衰减，通过增加量子纠缠度可以有效地改善QKD协议之间的传输距离。
量子信息在大气信道中传输要比光纤的信道中面临更加复杂的环境。研究大气信道中量子信息的传输，并利用新方法来改善连续变量量子密钥分发(CVQKD)已成为研究的热点。在长距离地对地之间存在的自由空间量子信道链接，从单个地面站到飞机，这些研究均基于离散变量量子密钥分配(DVQKD)，它要求在接收器上精确计算光子数。不幸的是，这些设备仅在理论上存在，而在实践中还没有出现。因此，设备缺陷可能会增加安全漏洞或旁量子通道，并最终破坏实用QKD。通过比较这两种协议，CVQKD在硬件设备上比DVQKD更容易实现，并且使用零差检测器，可以实现该协议的高速检测并增强了对杂散光的免疫力。
同样的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，其缺点很明显，例如高扩展性，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，基于水下光通信的最新研究不仅改善了数据带宽，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，但仍然存在一些致命的安全漏洞。幸运的是，CVQKD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。引入CVQKD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均用于实现无条件安全的量子通信。
减光子操作在理论和实验中已有研究，并证明通过减光子操作具有提升量子纠缠度作用，这将有利于延长最大安全距离。在此之前光子操作主要运用于单向量子通信，即发送端爱丽丝做光子减法操作接收端鲍勃接收，在这种方案中爱丽丝与鲍勃之间的安全通讯，有很大一部分是要取决于爱丽丝的设备，这种设备的相关性将会降低通讯等级。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，解决了现有技术中存在的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跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统的离散调制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，由发射端、接收端爱丽丝、接收端鲍勃和传输介质组成；所述发射端由信任的中间方负责制备和发送量子态，并做减光子操作；所述接收端爱丽丝用于接收和检测量子态，并将检测结果通过经典信道传输给接收端鲍勃；所述接收端鲍勃用于接收和检测量子态，并将检测结果通过经典信道传输给接收端爱丽丝；所述传输介质由大气、海水、海面和经典信道组成，发射端和接收端爱丽丝位于大气中，接收端鲍勃位于海面以下；
所述发射端包括：第一激光器，生成相干光；脉冲调制器，将相干光调制成频率为10MHz的脉冲相干光信号；信号源，将数字信号转化为模拟电信号，并控制脉冲调制器和调制器；第一光束分束器，对相干光信号进行分离；调制器，对分离后的相干光信号进行振幅调制；第二光束分束器，对调制后的相干光信号进行分离；第一减光子操作，对分离后的50％相干光信号进行减光子操作(提升量子间的纠缠度)，并发送给接收端鲍勃；第二减光子操作，对分离后的50％相干光信号进行减光子操作，并发送给接收端爱丽丝；
所述接收端爱丽丝包含：第一动态偏振器，对第二减光子操作后的相干光信号进行偏振反馈控制；第三光束分束器，将第一动态偏振器接收到的光信号进行分离；第一电光探测器和第二电光探测器，分别检测分离后的光信号；第一差分放大器，将第一电光探测器和第二电光探测器检测结果进行差分放大；
所述接收端鲍勃包含：第二动态偏振器，对第一减光子操作后的相干光信号进行偏振反馈控制；第四光束分束器，将第二动态偏振器接收到的光信号进行分离；第三电光探测器和第四电光探测器，分别检测分离后的光信号；第二差分放大器，将第三电光探测器和第四电光探测器检测结果进行差分放大。
进一步的，所述第一激光器能生成波长为450-550nm之间的相干光；所述脉冲调制器能调制波长为400-600nm之间的相干光，最高带宽能支持12.5Gb/s；所述信号源需生成5V，10MHz的脉冲型号，最高能支持50GS/s采样频率；第一光束分束器的光束分束比为1：99；调制器，需支持波长为400-600nm之间相干光并做衰减处理，最高带宽支持10GHz；第二光束分束器、第三光束分束器和第四光束分束器的光束分束比均为50：50。
进一步的，所述第一减光子操作和第二减光子操作分别都包含一个光束分束器和一个探测器，第一减光子操作和第二减光子操作中光束分束器的透射率在0.75-0.85之间。
进一步的，所述信任的中间方与接收端爱丽丝之间通过大气信道传输光信号；信任的中间方与接收端鲍勃之间先通过大气信道，后经过海面再由海水信道传输光信号。
跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统的离散调制方法，包括以下步骤：
步骤S1，设备无关的连续量子密钥分发发送步骤为：信任的中间方制备并调制八态量子态，经减光子操作后分别将量子态发送给接收端爱丽丝和接收端鲍勃；
步骤S2，设备无关的连续量子密钥分发检测步骤为：由接收端爱丽丝和接收端鲍勃分别进行检测以获取各自初始连续密钥数据；
步骤S3，设备无关的连续量子密钥分发交换步骤为：接收端爱丽丝和接收端鲍勃通过经典信道相互告知检测结果，并最终计算出离散系统的安全比特密钥。
进一步的，所述步骤S1包括如下步骤：
步骤S11，第一激光器生成相干光，其波长为520nm；信号源控制脉冲调制器将相干光调制成频率为10MHz的脉冲相干光信号；第一光束分束器分离出能量为1％脉冲相干光信号；
步骤S12，信号源控制调制器，对相干光信号进行振幅调制，生成光场正交分量X和P处于高斯分布的光信号，其中数据为离散数据；
步骤S13，第二光束分束器对光信号进一步分离，分离比为50:50，分别进行减光子操作后发送给接收端爱丽丝和接收端鲍勃。
进一步的，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：
步骤S21，接收端爱丽丝步骤如下：第一动态偏振器对收到光信号进行偏振反馈控制；第三光束分束器对光信号进行分离，分离比为50:50；第一电光探测器和第二电光探测器对分离后的光信号进行检测；第一差分放大器将第一电光探测器和第二电光探测器的检测结果做差分放大处理；
步骤S22，接收端鲍勃的步骤如下：第二动态偏振器对收到光信号进行偏振反馈控制；第四光束分束器对光信号进行分离，分离比为50:50；第三电光探测器和第四电光探测器对分离后的光信号进行检测；第二差分放大器将第三电光探测器和第四电光探测器的检测结果做差分放大处理。
进一步的，所述步骤S3包括如下步骤：
步骤S31，接收端鲍勃将检测结果通过经典信道发送给接收端爱丽丝；
步骤S32，接收端爱丽丝对接收端鲍勃的检测结果进行私密放大和协调后，与接收端鲍勃获得相同的一组安全密钥。
进一步的，所述八态量子态调制为离散调制，具体调制过程为：
受信任的中间方调制出八态量子态
Figure BDA0002352804750000041
其中k是相干位移状态的数量，a是从相干态的调制方差获得的正实数，虚数i；
接收到的信息可以用矩阵
Figure BDA0002352804750000042
其中
Figure BDA0002352804750000044
Figure BDA0002352804750000045
Figure BDA0002352804750000046
Figure BDA0002352804750000047
和
Figure BDA0002352804750000048
将泯灭算子
Figure BDA0002352804750000049
应用于|Φk>时，将得到协方差矩阵
Figure BDA0002352804750000051
其中，I和Z分别对应矩阵(1，1)和矩阵(1，-1)，λk中k取值0-7分别代表八态量子中八个特征值，|Φk>表示状态。
进一步的，所述安全密钥率计算过程，接收端爱丽丝与接收端鲍勃之间安全密钥率计算主要由他们之前的协方差矩阵决定，现给出接收端爱丽丝与接收端鲍勃之间的协方差矩阵γAB计算如下：
Figure BDA0002352804750000052
假定接收端爱丽丝与信任的中间方透射率为T1＝<Tair>，信任的中间方与接收端鲍勃之间的透射率为T2＝<Tsea><Tair><Tsurface>，其中<Tair>为光信号在大气中传输所受到的透射率；<Tsurface>为光信号穿透海平面所受的透射率；<Tsea>为光信号在海水中传输所受的透射率；v为八态量子态的特征方差。
所述限定参数均为本发明需要必要参数，经过对设备调制和实验计算后取得参数数据，这些参数可以使本发明获取最为理想的效果，如果不使用这些参数可能导致获取的实验结果与本发明描述得不一致，如果不取这些参数，模拟结果很差，选取波长为450-550nm之间，如果选取的波长不在这个范围，那么传输距离将会很短；光子减法操作时，光束分束器的透射率0.75-0.85之间才能获取最佳效果。添加受信任的中间方，完成量子态的制备和发送使得连续量子密钥分发方案获得设备无关性；所述设备无关性主要由信任的中间方完成量子态的制备和光子减法操作，并将信号光一分二，分别发送给接收端爱丽丝和接收端鲍勃。零差探测器由四个部件构成，包含一个光束分束器、两个电光探测器和一个差分放大器。
本发明的有益效果：
1.通过添加信任中间方实现设备无关性的连续变量量子密钥分发，建立空气-水信道之间安全通信环境。在此之前的发送端爱丽丝与接收端鲍勃之间的直接双方通讯，其安全性有很大一部分取决于爱丽丝调制端的设备。通过添加信任的中间方，使得整套系统的安全性具备设备无关性，调制设备内部因素将不会对安全性产生影响，实现接收端爱丽丝与接收端鲍勃之间的安全等级进一步提升。但这样做有一个缺陷就是传输距离相较于直接传输有所缩短，因此需要再向爱丽丝和鲍勃发送信息前需各做一次光子减法操作，同时通过调制光子减法中所使用的光束分离器，实现接收端爱丽丝和接收端鲍勃延迟有效传输接收距离。
2.通过使用离散调制制备八态量子态。之前很多实验使用的均是高斯调制的量子态，但本次实验首次使用离散调制的八态量子态，对比两种调制可以发现高斯调制不利于长远距离传输，在实际应用传输中往往为中长距离且低噪比，这时离散调制能降低误码率的优势就显现出来，再与传统通信相结合，可实现非常高的纠错率。
3.通过零差探测实现即使有干扰光的情况下，也能进行有效检测。
4.通过减光子操作提供量子纠缠度，提升有效传输距离。
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为本发明的系统结构图。
图2为本发明的光信号走向图。
图3为本发明使用离散调制制备八态量子态。
图4为本发明所使用的减光子操作示意图。
图5为本发明离散调制下的信道丢失与安全密钥率的数据模拟图。
图中，1.第一激光器、2.脉冲调制器、3.信号源、4.第一光束分束器、5.调制器、6.第二光束分束器、7.第一减光子操作、8.第二减光子操作、9.第一动态偏振器、10.第三光束分束器、11.第一电光探测器、12.第二电光探测器、13.第一差分放大器、14.海面、15.第二动态偏振器、16.第四光束分束器、17.第三电光探测器、18.第四电光探测器、19.第二差分放大器、20.经典信道。
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。
如图1所示，跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，由发射端、接收端爱丽丝、接收端鲍勃和传输介质组成；所述发射端由信任的中间方负责制备和发送量子态，并做减光子操作；所述接收端爱丽丝用于接收和检测量子态，并将检测结果通过经典信道20传输给接收端鲍勃；所述接收端鲍勃用于接收和检测量子态，并将检测结果通过经典信道20传输给接收端爱丽丝；所述传输介质由大气、海水、海面14和经典信道20组成，发射端和接收端爱丽丝位于大气中，接收端鲍勃位于海面14以下。
如图2所示，所述发射端包括：第一激光器1，生成相干光；脉冲调制器2，将相干光调制成频率为10MHz的脉冲相干光信号；信号源3，将数字信号转化为模拟电信号，并控制脉冲调制器2和调制器5；第一光束分束器4，对相干光信号进行分离；调制器5，对分离后的相干光信号进行振幅调制；第二光束分束器6，对调制后的相干光信号进行分离；第一减光子操作7，对分离后的50％相干光信号进行减光子操作(提升量子间的纠缠度)，并发送给接收端鲍勃；第二减光子操作8，对分离后的50％相干光信号进行减光子操作，并发送给接收端爱丽丝。所述接收端爱丽丝包含：第一动态偏振器9，对第二减光子操作8后的相干光信号进行偏振反馈控制；第三光束分束器10，将第一动态偏振器9接收到的光信号进行分离；第一电光探测器11和第二电光探测器12，分别检测分离后的光信号；第一差分放大器13，将第一电光探测器11和第二电光探测器12检测结果进行差分放大。所述接收端鲍勃包含：第二动态偏振器15，对第一减光子操作7后的相干光信号进行偏振反馈控制；第四光束分束器16，将第二动态偏振器15接收到的光信号进行分离；第三电光探测器17和第四电光探测器18，分别检测分离后的光信号；第二差分放大器19，将第三电光探测器17和第四电光探测器18检测结果进行差分放大。
所述第一激光器1能生成波长为450-550nm之间的相干光；所述脉冲调制器2能调制波长为400-600nm之间的相干光，最高带宽能支持12.5Gb/s；所述信号源3需生成5V，10MHz的脉冲型号，最高能支持50GS/s采样频率；第一光束分束器4的光束分束比为1：99；调制器5，需支持波长为400-600nm之间相干光并做衰减处理，最高带宽支持10GHz；第二光束分束器6、第三光束分束器10和第四光束分束器16的光束分束比均为50：50。所述第一减光子操作7和第二减光子操作8分别都包含一个光束分束器和一个探测器，第一减光子操作7和第二减光子操作8中光束分束器的透射率在0.75-0.85之间。所述信任的中间方与接收端爱丽丝之间通过大气信道传输光信号；信任的中间方与接收端鲍勃之间先通过大气信道，后经过海面14再由海水信道传输光信号。
跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统的离散调制方法，包括以下步骤：
步骤S1，设备无关的连续量子密钥分发发送步骤为：信任的中间方制备并调制八态量子态，经减光子操作后分别将量子态发送给接收端爱丽丝和接收端鲍勃；
步骤S2，设备无关的连续量子密钥分发检测步骤为：由接收端爱丽丝和接收端鲍勃分别进行检测以获取各自初始连续密钥数据；
步骤S3，设备无关的连续量子密钥分发交换步骤为：接收端爱丽丝和接收端鲍勃通过经典信道20相互告知检测结果，并最终计算出离散系统的安全比特密钥。
所述步骤S1包括如下步骤：步骤S11，第一激光器1生成相干光，其波长为520nm(该值通过大数据分析出海水对光的吸收和散射作用其最佳范围在450nm-550nm之间传输距离最远，结合大气信道和设备特性，取其波长为520nm)；信号源3控制脉冲调制器2将相干光调制成频率为10MHz的脉冲相干光信号；第一光束分束器4分离出能量为1％脉冲相干光信号；步骤S12，信号源3控制调制器5，对相干光信号进行振幅调制，生成光场正交分量X和P处于高斯分布的光信号，其中数据为离散数据；步骤S13，第二光束分束器6对光信号进一步分离，分离比为50:50，分别进行减光子操作后发送给接收端爱丽丝和接收端鲍勃。
所述步骤S2包括如下步骤：步骤S21，接收端爱丽丝步骤如下：第一动态偏振器9对收到光信号进行偏振反馈控制；第三光束分束器10对光信号进行分离，分离比为50:50；第一电光探测器11和第二电光探测器12对分离后的光信号进行检测；第一差分放大器13将第一电光探测器11和第二电光探测器12的检测结果做差分放大处理；步骤S22，接收端鲍勃的步骤如下：第二动态偏振器15对收到光信号进行偏振反馈控制；第四光束分束器16对光信号进行分离，分离比为50:50；第三电光探测器17和第四电光探测器18对分离后的光信号进行检测；第二差分放大器19将第三电光探测器17和第四电光探测器18的检测结果做差分放大处理。
所述步骤S3包括如下步骤：步骤S31，接收端鲍勃将检测结果通过经典信道20发送给接收端爱丽丝；步骤S32，接收端爱丽丝对接收端鲍勃的检测结果进行私密放大和协调后，与接收端鲍勃获得相同的一组安全密钥。
所述八态量子态调制为离散调制，总体而言采用离散调制的八态量子态相较于双模压缩态，其性能表现更优，调制过程如图3所示，具体调制过程为：
受信任的中间方调制出八态量子态
Figure BDA0002352804750000091
其中k是相干位移状态的数量，a是从相干态的调制方差获得的正实数，虚数i(即i2＝1)；
接收到的信息可以用矩阵
Figure BDA0002352804750000092
其中
Figure BDA0002352804750000093
Figure BDA0002352804750000094
Figure BDA0002352804750000095
Figure BDA0002352804750000096
和
Figure BDA0002352804750000097
将泯灭算子
Figure BDA0002352804750000098
应用于|Φk>时，将得到协方差矩阵
Figure BDA0002352804750000099
其中，I和Z分别对应矩阵(1，1)和矩阵(1，-1)，λk中k取值0-7分别代表八态量子中八个特征值，|Φk>表示状态。
所述安全密钥率计算过程，接收端爱丽丝与接收端鲍勃之间安全密钥率计算主要由他们之前的协方差矩阵决定，现给出接收端爱丽丝与接收端鲍勃之间的协方差矩阵γAB计算如下：
Figure BDA0002352804750000101
假定接收端爱丽丝与信任的中间方透射率为T1＝<Tair>，信任的中间方与接收端鲍勃之间的透射率为T2＝<Tsea><Tair><Tsurface>，其中<Tair>为光信号在大气中传输所受到的透射率；<Tsurface>为光信号穿透海平面所受的透射率；<Tsea>为光信号在海水中传输所受的透射率；v为八态量子态的特征方差，接收端爱丽丝如要与接收端鲍勃进行安全的量子通信，其中一个核心指标是就是安全密钥率，而安全密钥率的计算，取决于他们之间建立起来的协方差矩阵γAB。
如图4所示，B1、B2和B3表示经过不同操作后的量子态；BS1和BS2表示光束分束器；T1和T2表示光束分束器的透射率，分别对应到BS1和BS2。图4所示，光子减法操作：将调制后的量子态B1和光子|1>一同经过一个透射率为T1的光束分束器后，将分离为状态B2和B3。只有当B3状态被检测时B2状态才会被保留；其中的透射率T1值有实施过程情况而定。
如图5所示为本发明离散调制下的信道丢失与安全密钥率的数据模拟图，其中虚线表示接收端爱丽丝控制纠缠源(设备有关性)的通常情况，而实线表示添加信任的中间方情况下的纠缠方案(设备无关)性。我们可以看到，添加信任的中间方后纠缠损害极限超过1.9dB损耗极限。使用反向调节的压缩状态协议没有损耗限制，并且对于有损耗通道，对于所有通道传输值都是安全的。
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 (10)

1.跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，由发射端、接收端爱丽丝、接收端鲍勃和传输介质组成；所述发射端由信任的中间方负责制备和发送量子态，并做减光子操作；所述接收端爱丽丝用于接收和检测量子态，并将检测结果通过经典信道(20)传输给接收端鲍勃；所述接收端鲍勃用于接收和检测量子态，并将检测结果通过经典信道(20)传输给接收端爱丽丝；所述传输介质由大气、海水、海面(14)和经典信道(20)组成，发射端和接收端爱丽丝位于大气中，接收端鲍勃位于海面(14)以下；
所述发射端包括：
第一激光器(1)，生成相干光；脉冲调制器(2)，将相干光调制成频率为10MHz的脉冲相干光信号；信号源(3)，将数字信号转化为模拟电信号，并控制脉冲调制器(2)和调制器(5)；第一光束分束器(4)，对相干光信号进行分离；调制器(5)，对分离后的相干光信号进行振幅调制；第二光束分束器(6)，对调制后的相干光信号进行分离；第一减光子操作(7)，对分离后的50％相干光信号进行减光子操作，并发送给接收端鲍勃；第二减光子操作(8)，对分离后的50％相干光信号进行减光子操作，并发送给接收端爱丽丝；
所述接收端爱丽丝包含：
第一动态偏振器(9)，对第二减光子操作(8)后的相干光信号进行偏振反馈控制；第三光束分束器(10)，将第一动态偏振器(9)接收到的光信号进行分离；第一电光探测器(11)和第二电光探测器(12)，分别检测分离后的光信号；第一差分放大器(13)，将第一电光探测器(11)和第二电光探测器(12)检测结果进行差分放大；
所述接收端鲍勃包含：
第二动态偏振器(15)，对第一减光子操作(7)后的相干光信号进行偏振反馈控制；第四光束分束器(16)，将第二动态偏振器(15)接收到的光信号进行分离；第三电光探测器(17)和第四电光探测器(18)，分别检测分离后的光信号；第二差分放大器(19)，将第三电光探测器(17)和第四电光探测器(18)检测结果进行差分放大。
2.根据权利要求1所述的跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一激光器(1)能生成波长为450-550nm之间的相干光；所述脉冲调制器(2)能调制波长为400-600nm之间的相干光，最高带宽能支持12.5Gb/s；所述信号源(3)需生成5V，10MHz的脉冲型号，最高能支持50GS/s采样频率；第一光束分束器(4)的光束分束比为1：99；调制器(5)，需支持波长为400-600nm之间相干光并做衰减处理，最高带宽支持10GHz；第二光束分束器(6)、第三光束分束器(10)和第四光束分束器(16)的光束分束比均为50：50。
3.根据权利要求1所述的跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一减光子操作(7)和第二减光子操作(8)分别都包含一个光束分束器和一个探测器，第一减光子操作(7)和第二减光子操作(8)中光束分束器的透射率在0.75-0.85之间。
4.根据权利要求1所述的跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述信任的中间方与接收端爱丽丝之间通过大气信道传输光信号；信任的中间方与接收端鲍勃之间先通过大气信道，后经过海面(14)再由海水信道传输光信号。
5.如权利要求1所述的跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统的离散调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，设备无关的连续量子密钥分发发送步骤为：信任的中间方制备并调制八态量子态，经减光子操作后分别将量子态发送给接收端爱丽丝和接收端鲍勃；
步骤S2，设备无关的连续量子密钥分发检测步骤为：由接收端爱丽丝和接收端鲍勃分别进行检测以获取各自初始连续密钥数据；
步骤S3，设备无关的连续量子密钥分发交换步骤为：接收端爱丽丝和接收端鲍勃通过经典信道(20)相互告知检测结果，并最终计算出离散系统的安全比特密钥。
6.根据权利要求5所述的跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统的离散调制方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：
步骤S11，第一激光器(1)生成相干光，其波长为520nm；信号源(3)控制脉冲调制器(2)将相干光调制成频率为10MHz的脉冲相干光信号；第一光束分束器(4)分离出能量为1％脉冲相干光信号；
步骤S12，信号源(3)控制调制器(5)，对相干光信号进行振幅调制，生成光场正交分量X和P处于高斯分布的光信号，其中数据为离散数据；
步骤S13，第二光束分束器(6)对光信号进一步分离，分离比为50:50，分别进行减光子操作后发送给接收端爱丽丝和接收端鲍勃。
7.根据权利要求5所述的跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统的离散调制方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：
步骤S21，接收端爱丽丝步骤如下：第一动态偏振器(9)对收到光信号进行偏振反馈控制；第三光束分束器(10)对光信号进行分离，分离比为50:50；第一电光探测器(11)和第二电光探测器(12)对分离后的光信号进行检测；第一差分放大器(13)将第一电光探测器(11)和第二电光探测器(12)的检测结果做差分放大处理；
步骤S22，接收端鲍勃的步骤如下：第二动态偏振器(15)对收到光信号进行偏振反馈控制；第四光束分束器(16)对光信号进行分离，分离比为50:50；第三电光探测器(17)和第四电光探测器(18)对分离后的光信号进行检测；第二差分放大器(19)将第三电光探测器(17)和第四电光探测器(18)的检测结果做差分放大处理。
8.根据权利要求5所述的跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统的离散调制方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
步骤S31，接收端鲍勃将检测结果通过经典信道(20)发送给接收端爱丽丝；
步骤S32，接收端爱丽丝对接收端鲍勃的检测结果进行私密放大和协调后，与接收端鲍勃获得相同的一组安全密钥。
9.根据权利要求5所述的跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统的离散调制方法，其特征在于，所述八态量子态调制为离散调制，具体调制过程为：
受信任的中间方调制出八态量子态
Figure FDA0003611755290000031
其中k是相干位移状态的数量，a是从相干态的调制方差获得的正实数，虚数i；
接收到的信息可以用矩阵
Figure FDA0003611755290000032
其中
Figure FDA0003611755290000033
Figure FDA0003611755290000034
Figure FDA0003611755290000035
Figure FDA0003611755290000041
和
Figure FDA0003611755290000042
将泯灭算子
Figure FDA0003611755290000043
应用于|Φk>时，将得到协方差矩阵
Figure FDA0003611755290000044
其中，I和Z分别对应矩阵(1，1)和矩阵(1，-1)，λk中k取值0-7分别代表八态量子中八个特征值，|Φk>表示状态。
10.根据权利要求5所述的跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统的离散调制方法，其特征在于，所述安全比特密钥计算过程，接收端爱丽丝与接收端鲍勃之间安全比特密钥计算由它们之前的协方差矩阵决定，给出接收端爱丽丝与接收端鲍勃之间的协方差矩阵γAB计算如下：
Figure FDA0003611755290000045
假定接收端爱丽丝与信任的中间方透射率为T1＝<Tair>，信任的中间方与接收端鲍勃之间的透射率为T2＝<Tsea><Tair><Tsurface>，其中<Tair>为光信号在大气中传输所受到的透射率；<Tsurface>为光信号穿透海平面所受的透射率；<Tsea>为光信号在海水中传输所受的透射率；v为八态量子态的特征方差。
CN201911423038.9A 2019-12-31 2019-12-31 跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统 Expired - Fee Related CN111130780B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911423038.9A CN111130780B (zh) 2019-12-31 2019-12-31 跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911423038.9A CN111130780B (zh) 2019-12-31 2019-12-31 跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111130780A CN111130780A (zh) 2020-05-08
CN111130780B true CN111130780B (zh) 2022-08-02

Family

ID=70507848

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911423038.9A Expired - Fee Related CN111130780B (zh) 2019-12-31 2019-12-31 跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111130780B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111726229B (zh) * 2020-07-24 2024-08-16 中国海洋大学 一种自适应多波段水下无线量子密钥分发系统及方法
CN112367166B (zh) * 2020-10-27 2022-08-09 湖南大学 高精度态区分检测方法、系统、介质、计算机设备及应用
CN112332983B (zh) * 2020-11-30 2023-12-05 国网福建省电力有限公司信息通信分公司 一种混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法
US20230142045A1 (en) * 2021-02-19 2023-05-11 Eagle Technology, Llc Quantum communications system using pulse divider and associated methods
US11502758B2 (en) * 2021-02-19 2022-11-15 Eagle Technology, Llc Communications system using pulse divider and associated methods
CN113037473B (zh) * 2021-03-01 2022-07-15 中南大学 基于硅光子集成芯片的cvqkd系统及方法
CN113285759B (zh) * 2021-05-26 2022-06-07 中南大学 面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统及其实现方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2081317A2 (en) * 2008-01-18 2009-07-22 Magiq Technologies, INC. Quantum key distribution system and method of performing quantum key distribution
CN102113268A (zh) * 2008-05-30 2011-06-29 韩国电子通信研究院 用于量子加密的系统和方法
CN106856429A (zh) * 2017-03-08 2017-06-16 浙江九州量子信息技术股份有限公司 一种基于接收端偏振分束的量子密钥分配系统与方法
CN108696352A (zh) * 2018-05-25 2018-10-23 中南大学 连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统及其实现方法
CN109150515A (zh) * 2018-08-31 2019-01-04 中南大学 基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统及其实现方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7809143B2 (en) * 2005-10-24 2010-10-05 Magiq Technologies, Inc. QKD system with synchronization channel verification

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2081317A2 (en) * 2008-01-18 2009-07-22 Magiq Technologies, INC. Quantum key distribution system and method of performing quantum key distribution
CN102113268A (zh) * 2008-05-30 2011-06-29 韩国电子通信研究院 用于量子加密的系统和方法
CN106856429A (zh) * 2017-03-08 2017-06-16 浙江九州量子信息技术股份有限公司 一种基于接收端偏振分束的量子密钥分配系统与方法
CN108696352A (zh) * 2018-05-25 2018-10-23 中南大学 连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统及其实现方法
CN109150515A (zh) * 2018-08-31 2019-01-04 中南大学 基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统及其实现方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111130780A (zh) 2020-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111130780B (zh) 跨介质下设备无关及离散调制连续变量量子密钥分发系统
CN108365953B (zh) 基于深度神经网络的自适应差分相移量子密钥分发系统及其实现方法
US20200162172A1 (en) Physical-Layer Security for Coherent Communications System
CN108989035B (zh) 基于测量设备无关的连续变量量子密钥分发方法及系统
CN111147243B (zh) 一种基于llo的单波长量子与经典通信同传方法
CN109347776B (zh) 一种差分相位幅度比的光通信信号调制格式识别方法
CN110912617B (zh) 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
WO2012090190A1 (en) A low cost direct modulation and coherent detection system
CN111711490A (zh) 一种Stokes空间的快速偏振追踪与解复用方法
Deng et al. Polarization multiplexing based UOWC systems under bubble turbulence
Shi et al. 112 Gb/s/λ CAP Signals Transmission over 480 km in IM-DD System
Qamar et al. 128-QAM dual-polarization chaotic long-haul system performance evaluation
Ishimura et al. Multi-dimensional permutation modulation aiming at both high spectral efficiency and high power efficiency
Wang et al. Data Center Secure Communication via DNA Hyperchaotic Encryption
CN111541536A (zh) 相位敏感放大技术增强的连续变量量子密钥分发系统
CN114142933B (zh) 一种基于多芯光纤的保密通信装置及其通信方法
CN116260523A (zh) 一种基于Alamouti编码的简化同源相干系统
Alatawi et al. Performance study of 1 tbits/s wdm coherent optical ofdm system
CN115996093A (zh) 一种基于光载波驱动混沌激光同步的物理层加密系统及其方法
Li et al. Deep-Learning-Enabled Direct Detection With Reduced Computational Complexity and High Electrical-Spectral-Efficiency
CN115622680A (zh) 一种基于偏振复用的混沌保密通信装置、方法及应用
CN114844568A (zh) 采用六阶幅度调制和解调技术实现高速光信号收发的光接入系统
EP3741078B1 (en) Transmitter and receiver for transmitting and receiving a quantum key using a pilot signal
Xu et al. Multicarrier-Modulation-Based Digital Radio-Over-Fiber System Achieving Unequal Bit Protection With Over 10 dB SNR Gain
CN114710277B (zh) 基于量子剪刀的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20220802

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee