CN111211900A - 一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法 - Google Patents

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CN111211900A CN202010049034.5A CN202010049034A CN111211900A CN 111211900 A CN111211900 A CN 111211900A CN 202010049034 A CN202010049034 A CN 202010049034A CN 111211900 A CN111211900 A CN 111211900A
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Abstract

本发明公开一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，依次为：发送方，激光器产生激光脉冲通过幅度调制器调节信号，再通过第一偏振分束器分解成两束正交的偏振光束；两束偏振光束通过I/Q调制，完成极化成对编码后，通过偏振合束器，再进行信号传输；信号接收后：通过第二偏振分束器对偏振复用信号进行解复用，获得两束偏振光束；再结合本地振荡器通过分束器获得的两束本地振荡信号，通过光电探测器完成相干检测，测量两束偏振光束；再经过极化成对解码模块进行极化成对解码，获得发送方传送的信号。本发明解决现有技术中偏振相关损耗会累积，导致信号失真增加，产生更大的误差，从而限制系统中的密钥分发速率和传输距离的问题。

Description

一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法
技术领域
本发明属于连续变量量子密钥分发技术领域，涉及一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法。
背景技术
在互联网时代，信息科学高速发展，如何提高数据的保密性和安全性一直是用户重点关心的问题。因此，信息安全这一重要的科学探索课题对于现代发展有着时代意义。目前被大范围使用的密码体系是以未被完美推算出来的数学难题为基础的，然而随着技术的发展，当前计算机的计算能力正在不断突破，第一台量子计算机已经问世。这意味着这种基于数学难题的信息安全体系在不久的未来将受到艰难的挑战，因此必须探寻新型有效的加密方式来直面将要面对的难题。
自1984年量子密钥分发协议被Bennett和Brassard最先提出讨论，量子保密通信技术日渐成熟。量子保密通信的巨大优势在于其绝对安全性，这是由神奇的量子所遵循的海森堡测不准原理及量子态无法被窃听者精确克隆的特性所保证的。经过几十年的发展，量子保密通信从最开始的单光子离散通信系统，到现在被广泛讨论的连续变量量子密钥分发系统，量子保密通信技术的迅猛发展让世界为之瞩目。
连续变量量子密钥分发技术朝着长距离、大容量传输方向发展，信道复用技术是建立实用量子通信网络的重要途径，其中正交相移调制和偏振多路复用成为关注的焦点。在不增加带宽资源的情况下，利用波长信道的正交偏振复用可以使传输容量增加一倍。对于一个偏振复用相干光学系统，尽可能保证两个相关通道的正交性是非常重要的。而环形器、隔离器、复用器等光学器件带来的偏振相关损耗影响，会破坏正交性，从而成为基于偏振复用的连续变量量子密钥分发系统所面临的挑战之一。偏振相关损耗是由晶体二向性引起的，描述了偏振态间最大传输差异，体现在偏振复用时正交的偏振态间在不同程度上衰减，最终导致信号偏振之间不平衡的信噪比。由于其非单一性，这是一个尚未解决的问题。传输中一直偏振相关损耗会累积，导致信号失真增加，产生更大的误差，从而限制了系统中的密钥分发速率和传输距离。为了克服偏振相关损耗问题，在经典光通信领域C.Zhu提出了极化成对编码方案。但是相比经典光通信，连续变量量子密钥分发中的信号幅度小很多，正常工作的信噪比较低，信号处理方式及有效密钥率的分析均大相径庭。本发明拟采用极化成对编码的思想，结合连续变量量子密钥分发系统的工作机制，来研究如何对抗偏振相关损耗问题。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，解决了现有技术中存在的偏振相关损耗会累积，导致信号失真增加，产生更大的误差，从而限制了系统中的密钥分发速率和传输距离的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，按照以下步骤进行：
步骤A，连续变量量子密钥发送过程：在发送方，激光器产生的激光脉冲通过幅度调制器调节信号强弱，再通过第一偏振分束器分解成两束正交的偏振光束；两束偏振光束分别通过I/Q调制，完成极化成对编码操作后，通过偏振合束器变为偏振复用信号；经由信号发射装置进入自由空间量子信道进行传输，再由接收方接收并处理；
步骤B，连续变量量子密钥接收过程：接收方通过信号接收装置接收信号，通过第二偏振分束器对偏振复用信号进行解复用，获得两束偏振光束；再结合本地振荡器通过分束器获得的两束本地振荡信号，通过光电探测器完成相干检测，测量两束偏振光束；再经过极化成对解码模块进行极化成对解码，获得发送方传送的信号。
进一步的，所述步骤A中两束偏振光束分别通过I/Q调制，完成极化成对编码操作后，通过偏振合束器变为偏振复用信号的具体过程是：两束偏振光束一束为X路偏振光束，一束为Y路偏振光束；X路偏振光束通过第一耦合器，Y路偏振光束通过第二耦合器；通过第一耦合器的偏振光束变成两束相同的光束，一束直接导通至第一马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EI1(t)，一束通过第一移相器后导通至第二马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EI2(t)；通过第二耦合器的偏振光束变成两束相同的光束，一束直接导通至第三马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EQ1(t)，一束通过第二移相器后导通至第四马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EQ2(t)；EI1(t)和EI2(t)通过第三耦合器合成X-偏振态信号TXn，EQ1(t)和EQ2(t)通过第四耦合器合成Y-偏振态信号TYn；X-偏振态信号TXn和Y-偏振态信号TYn通过偏振合束器获得偏振复用信号。
进一步的，所述步骤A还包括：在发送方，第一量子随机数发生器生成的随机码Xn，通过第一电平发生器和第一调制器驱动将第一量子随机数发生器生成的随机码调制成驱动信号I1(t)、Q1(t)；第二量子随机数发生器生成的随机码Yn，通过第二电平发生器和第二调制器驱动将第二量子随机数发生器生成的随机码调制成驱动信号I2(t)、Q2(t)；驱动信号I1(t)、I2(t)直接作用于第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器时，得到的X-偏振态信号TXn，符号映射得到信号Xθ，驱动信号Q1(t)、Q2(t)直接作用于第三马赫曾德尔调制器和第四马赫曾德尔调制器时，得到的Y-偏振态信号TYn，符号映射得到信号Yθ；使得Xθ实部
Figure BDA0002370450930000031
对应X-偏振态信号TXn的实部，虚部
Figure BDA0002370450930000032
对应Y-偏振态信号TYn的实部；Yθ的虚部
Figure BDA0002370450930000033
对应Y-偏振态信号TYn的虚部，实部
Figure BDA0002370450930000034
对应X-偏振态信号TXn的虚部。
进一步的，所述符号映射得到信号Xθ，具体为通过驱动信号I1(t)、Q1(t)对X路偏振光束进行作用时调制得信号Xθ，通过驱动信号I2(t)、Q2(t)对Y路偏振光束进行作用时调制得信号Yθ。
进一步的，所述I1(t)对应Xθ的实部
Figure BDA0002370450930000035
Q1(t)对应Xθ的虚部
Figure BDA0002370450930000036
I2(t)对应Yθ的实部
Figure BDA0002370450930000037
Q2(t)对应Yθ的虚部
Figure BDA0002370450930000038
进一步的，所述步骤B还包括：
步骤B1：经过存在信道干扰和传输损耗自由空间量子信道后，传输的偏振复用信号被接收方接收探测，探测得到的信号为EXn和EYn，进入极化成对解码模块；
步骤B2：利用统计矩量法分别对接收到的信号EXn和EYn进行信噪比估计；通过
Figure BDA0002370450930000039
对EXn和EYn进行异或运算，平衡噪声的方差，获得信号TXn'和TYn'；
步骤B3：在极化成对解码模块中，对TXn'和TYn'的实部和虚部进行预编码的反过程；TXn'的实部
Figure BDA00023704509300000310
对应Xθ'的实部，TXn'的虚部
Figure BDA00023704509300000311
对应Yθ'的实部，TYn'的实部
Figure BDA00023704509300000312
对应Xθ'的虚部，TYn'的虚部
Figure BDA00023704509300000313
对应Yθ'的虚部；再进行极大似然估计，得到信号Xn'和Yn'；
步骤B4：通信双方通过常规的后处理过程，获得最终安全的密钥。
本发明的有益效果是：本发明提供一种简单易行的自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，来克服偏振相关损耗问题。在偏振复用的系统中，由于偏振相关损耗的影响，光信号的同向(I)分量、正交(Q)分量的信噪比不平衡，从而导致两束原本正交的偏振信号失去正交性，传输性能降低。而连续变量量子密钥分发系统中，密钥分发速率K＝βI(a：b)-χ(b：EC)，β为协商效率，I(a：b)为发送方与接收方之间的信息量，χ(b：EC)为Holevo边界。
又有I(a：b)＝1-h(eab)，h(eab)＝-eablog2(eab)-(1-eab)log2(1-eab)，
h(eab)为二进制熵函数，eab为发送方与接收方之间信息传输的误码率，可由下式计算：
Figure BDA0002370450930000041
SNR为信噪比，可知在偏振复用的系统中，信噪比失衡会导致误码率增高，信息量降低，密钥分发速率降低。本发明中通过极化成对编码，在发送方使得两束正交偏振信号的I、Q分量进行交错重组后复用传输，再在接收方解复用后，对两束信号进行极化成对解码。此法增加了两束正交信号之间的关联性，从而减弱I、Q分量的信噪比相对不平衡程度，以此可对抗较大范围的偏振相关损耗对系统的影响，进而提高密钥分发速率和最大传输距离方面的性能。本发明助力连续变量量子保密通信领域的长距离和大容量传输，推动其实用化进程。本发明相比常规的方案，可以在相同的信噪比时获得更小的误码率，以及更大的信息量，可以较好的抵抗一定范围内的偏振相关损耗。
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是本发明自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法的方案图。
图2是本发明实施例在发送方进行极化成对编码的原理图。
图3是本发明实施例在接收方进行极化成对解码的原理图。
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。
一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，按照以下步骤进行：
步骤A，连续变量量子密钥发送过程：(通过量子密钥分发以获得共同密钥的通信双方可认为是发送方和接收方)在发送方，激光器产生的激光脉冲通过幅度调制器调节信号强弱，再通过第一偏振分束器分解成两束正交的偏振光束；两束偏振光束分别通过I/Q调制：两束偏振光束一束为X路偏振光束，一束为Y路偏振光束；X路偏振光束通过第一耦合器，Y路偏振光束通过第二耦合器；通过第一耦合器的偏振光束变成两束相同的光束，一束直接导通至第一马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EI1(t)，一束通过第一移相器后导通至第二马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EI2(t)；通过第二耦合器的偏振光束变成两束相同的光束，一束直接导通至第三马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EQ1(t)，一束通过第二移相器后导通至第四马赫曾德尔调制器获得调制后的信号EQ2(t)；EI1(t)和EI2(t)通过第三耦合器合成X-偏振态信号TXn，EQ1(t)和EQ2(t)通过第四耦合器合成Y-偏振态信号TYn；在发送方，第一量子随机数发生器生成的随机码Xn，通过第一电平发生器和第一调制器驱动将第一量子随机数发生器生成的随机码调制成驱动信号I1(t)、Q1(t)；第二量子随机数发生器生成的随机码Yn，通过第二电平发生器和第二调制器驱动将第二量子随机数发生器生成的随机码调制成驱动信号I2(t)、Q2(t)；驱动信号I1(t)、I2(t)直接作用于第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器时(具体为驱动信号I1(t)直接作用于第一马赫曾德尔调制器、I2(t)直接作用于第二马赫曾德尔调制器)，得到的X-偏振态信号TXn，符号映射得到信号Xθ，驱动信号Q1(t)、Q2(t)直接作用于第三马赫曾德尔调制器和第四马赫曾德尔调制器时(具体为驱动信号Q1(t)直接作用于第三马赫曾德尔调制器、Q2(t)直接作用于第四马赫曾德尔调制器)，得到的Y-偏振态信号TYn，符号映射得到信号Yθ；使得Xθ实部
Figure BDA0002370450930000051
对应X-偏振态信号TXn的实部，虚部
Figure BDA0002370450930000052
对应Y-偏振态信号TYn的实部；Yθ的虚部
Figure BDA0002370450930000053
对应Y-偏振态信号TYn的虚部，实部
Figure BDA0002370450930000054
对应X-偏振态信号TXn的虚部；完成极化成对编码操作后，X-偏振态信号TXn和Y-偏振态信号TYn通过偏振合束器获得偏振复用信号，经由信号发射装置进入自由空间量子信道进行传输，再由接收方接收并处理；
步骤B，连续变量量子密钥接收过程：接收方通过信号接收装置接收信号，通过第二偏振分束器对偏振复用信号进行解复用，获得两束偏振光束。再结合本地振荡器通过分束器获得的两束本地振荡信号，通过光电探测器完成相干检测，测量两束偏振光束。再经过极化成对解码模块进行极化成对解码，获得发送方传送的信号；如图3所示，所述步骤B还包括：
步骤B1：经过存在信道干扰和传输损耗自由空间量子信道后，传输的偏振复用信号被接收方接收探测，探测得到的信号为EXn和EYn，进入极化成对解码模块；
步骤B2：利用统计矩量法分别对接收到的信号EXn和EYn进行信噪比估计；通过
Figure BDA0002370450930000061
对EXn和EYn进行异或运算，平衡噪声的方差，获得信号TXn'和TYn'；
步骤B3：在极化成对解码模块中，对TXn'和TYn'的实部和虚部进行预编码的反过程；TXn'的实部
Figure BDA0002370450930000062
对应Xθ'的实部，TXn'的虚部
Figure BDA0002370450930000063
对应Yθ'的实部，TYn'的实部
Figure BDA0002370450930000064
对应Xθ'的虚部，TYn'的虚部
Figure BDA0002370450930000065
对应Yθ'的虚部；再进行极大似然估计，得到信号Xn'和Yn'；
步骤B4：通信双方通过常规的后处理过程，获得最终安全的密钥。
所述符号映射得到信号Xθ，具体为通过驱动信号I1(t)、Q1(t)对X路偏振光束进行作用时调制得信号Xθ，通过驱动信号I2(t)、Q2(t)对Y路偏振光束进行作用时调制得信号Yθ。所述I1(t)对应Xθ的实部
Figure BDA0002370450930000066
Q1(t)对应Xθ的虚部
Figure BDA0002370450930000067
I2(t)对应Yθ的实部
Figure BDA0002370450930000068
Q2(t)对应Yθ的虚部
Figure BDA0002370450930000069
图1中，MZM：马赫曾德尔调制器；I(t)：同向分量；Q(t)：正交分量；3dB：耦合器；π/2：移相器；EI(t)：调制后的同向分量；EQ(t)：调制后的正交分量。在图2中，Xn和Yn：两个量子随机数发生器随机生成的两串序列，Xn对应的驱动信号I1(t)、Q1(t)，Yn对应驱动信号I2(t)、Q2(t)。
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 (6)

1.一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤A，连续变量量子密钥发送过程：在发送方，激光器产生的激光脉冲通过幅度调制器调节信号强弱，再通过第一偏振分束器分解成两束正交的偏振光束；两束偏振光束分别通过I/Q调制，完成极化成对编码操作后，通过偏振合束器变为偏振复用信号；经由信号发射装置进入自由空间量子信道进行传输，再由接收方接收并处理；
步骤B，连续变量量子密钥接收过程：接收方通过信号接收装置接收信号，通过第二偏振分束器对偏振复用信号进行解复用，获得两束偏振光束；再结合本地振荡器通过分束器获得的两束本地振荡信号，通过光电探测器完成相干检测，测量两束偏振光束；再经过极化成对解码模块进行极化成对解码，获得发送方传送的信号。
2.根据权利要求1所述的一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，其特征在于，所述步骤A中两束偏振光束分别通过I/Q调制，完成极化成对编码操作后，通过偏振合束器变为偏振复用信号的具体过程是：
两束偏振光束一束为X路偏振光束，一束为Y路偏振光束；X路偏振光束通过第一耦合器，Y路偏振光束通过第二耦合器；通过第一耦合器的偏振光束变成两束相同的光束，一束直接导通至第一马赫曾德尔调制器获得调制后的信号
Figure FDA0002370450920000015
一束通过第一移相器后导通至第二马赫曾德尔调制器获得调制后的信号
Figure FDA0002370450920000014
通过第二耦合器的偏振光束变成两束相同的光束，一束直接导通至第三马赫曾德尔调制器获得调制后的信号
Figure FDA0002370450920000017
一束通过第二移相器后导通至第四马赫曾德尔调制器获得调制后的信号
Figure FDA0002370450920000016
Figure FDA0002370450920000018
和
Figure FDA0002370450920000011
通过第三耦合器合成X-偏振态信号TXn，
Figure FDA0002370450920000013
和
Figure FDA0002370450920000012
通过第四耦合器合成Y-偏振态信号TYn；X-偏振态信号TXn和Y-偏振态信号TYn通过偏振合束器获得偏振复用信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，其特征在于，所述步骤A还包括：
在发送方，第一量子随机数发生器生成的随机码Xn，通过第一电平发生器和第一调制器驱动将第一量子随机数发生器生成的随机码调制成驱动信号I1(t)、Q1(t)；第二量子随机数发生器生成的随机码Yn，通过第二电平发生器和第二调制器驱动将第二量子随机数发生器生成的随机码调制成驱动信号I2(t)、Q2(t)；驱动信号I1(t)、I2(t)直接作用于第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器时，得到的X-偏振态信号TXn，符号映射得到信号Xθ，驱动信号Q1(t)、Q2(t)直接作用于第三马赫曾德尔调制器和第四马赫曾德尔调制器时，得到的Y-偏振态信号TYn，符号映射得到信号Yθ；使得Xθ实部
Figure FDA0002370450920000021
对应X-偏振态信号TXn的实部，虚部
Figure FDA0002370450920000022
对应Y-偏振态信号TYn的实部；Yθ的虚部
Figure FDA0002370450920000023
对应Y-偏振态信号TYn的虚部，实部
Figure FDA0002370450920000024
对应X-偏振态信号TXn的虚部。
4.根据权利要求3所述的一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，其特征在于，所述符号映射得到信号Xθ，具体为通过驱动信号I1(t)、Q1(t)对X路偏振光束进行作用时调制得信号Xθ，通过驱动信号I2(t)、Q2(t)对Y路偏振光束进行作用时调制得信号Yθ。
5.根据权利要求4所述的一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，其特征在于，所述I1(t)对应Xθ的实部
Figure FDA0002370450920000025
Q1(t)对应Xθ的虚部
Figure FDA0002370450920000026
I2(t)对应Yθ的实部
Figure FDA0002370450920000027
Q2(t)对应Yθ的虚部
Figure FDA0002370450920000028
6.根据权利要求1所述的一种自由空间连续变量量子密钥分发的极化成对编码方法，其特征在于，所述步骤B还包括：
步骤B1：经过存在信道干扰和传输损耗自由空间量子信道后，传输的偏振复用信号被接收方接收探测，探测得到的信号为EXn和EYn，进入极化成对解码模块；
步骤B2：利用统计矩量法分别对接收到的信号EXn和EYn进行信噪比估计；通过
Figure FDA0002370450920000029
对EXn和EYn进行异或运算，平衡噪声的方差，获得信号TXn'和TYn'；
步骤B3：在极化成对解码模块中，对TXn'和TYn'的实部和虚部进行预编码的反过程；TXn'的实部
Figure FDA00023704509200000210
对应Xθ'的实部，TXn'的虚部
Figure FDA00023704509200000211
对应Yθ'的实部，TYn'的实部
Figure FDA00023704509200000212
对应Xθ'的虚部，TYn'的虚部
Figure FDA00023704509200000213
对应Yθ'的虚部；再进行极大似然估计，得到信号Xn'和Yn'；
步骤B4：通信双方通过常规的后处理过程，获得最终安全的密钥。
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