CN111245606A - 一种基于压缩态的离散调制连续变量qkd系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统，包括发送方和接收方；发送方和接收方通过量子信道、经典信道连接；其中：所述量子信道用于传输信号光和同步光，经典信道用于传输经典光，进行基矢对比及后处理；发送方进行密钥序列的生成、量子态的制备和发送，与接收方进行基矢对比和后处理过程；接收方对接收到的量子态进行测量并记录数据，与发送方进行基矢对比和后处理过程。该系统采用压缩态为光源量子态，其正交分量符号对信道损耗具有一定免疫性，增加了其传输距离。在远距离传输下，能维持较低的误码率，提高了远距离情况下的密钥率。通过与离散调制连续变量QKD协议相结合，使得密钥解调过程大幅简化，对后处理算法要求大大降低。

Description

一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统和方法

技术领域

本发明涉及量子信息以及量子加密通信领域，具体涉及一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统和方法。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)技术为远程的通信双方安全地分发密钥信息提供了一种切实可行的途径。现阶段的QKD技术主要分为两大类，一种是离散变量QKD(DV-QKD)，即发送方所制备发送的量子态在希尔伯特空间中是离散的，有限个数的；另一种是连续变量QKD(CV-QKD)，即发送方所制备发送的量子态在希尔伯特空间中是连续的，无限个数的。其中，DV-QKD主要以相位和偏振两种物理量加载密钥信息，而CV-QKD则以光场量子态的正交分量加载密钥信息。相比于DV-QKD，CV-QKD最大的优势就在于其探测效率远高于DV-QKD,且其抗干扰能力也远强于DV-QKD方案。

DV-QKD最初采用高斯调制，最大的特点就是采用正交分量的具体数值进行成码。这种调制方式的最大好处是一个正交分量的数值可以解码出多个彼特值，大大提高了密钥率。但缺点也是显而易见的，高斯调制的解码过程比传统的二进制调制的解码过程复杂地多。在信道损耗和额外噪声的影响下，高斯调制的解码愈发困难。高斯调制的CV-QKD虽在短距离传输中有着不错的密钥率，但随着传输距离的增加，密钥率也随之急剧下降，导致CV-QKD的传输距离难以超过100Km。

为了使CV-QKD能够适用于更长的距离，Leverrier和Grangier小组提出了一种基于离散调制的连续变量量子密钥分发协议：四态协议，并对其安全性进行了证明。四态协议使用相干态作为光源的量子态来加载密钥信息。与高斯调制不同，离散调制的四态协议以正交分量符号的正负来解调密钥信息，从而大大简化了密钥提取过程。使得CV-QKD在低信噪比情况下也能获得正的密钥率，传输距离提高到了100Km以上。但是，由于离散调制CV-QKD是以正交分量的符号来加载信息，致使其调制方差远远小于高斯调制下的调制方差，光脉冲强度要弱很多，从某一程度上降低了其信噪比。另一方面，由于信道损耗和额外噪声的存在，使得相干态在经过长距离传输后，正交分量的涨落区域向原点靠拢，正交分量符号的随机性增加，从而导致误码率大幅上升。依赖后处理算法虽然仍可以提取出密钥，但密钥率会大大降低，限制了其实际应用。

因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种高速率、远距离传输的基于压缩态的离散调制连续变量QKD技术显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种利用压缩态在信道损耗下的演化特性，以被拉伸正交分量的符号加载量子比特，且能以高速率、远距离传输的基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统和方法。

具体的，压缩态为平移压缩真空态，其表达式为|ψ>＝|α,ξ>＝D(α)S(ξ)|0＞，其中，S(ξ)是压缩算符，D(α)为平移算符，均是对相空间中正交分量涨落区域的操作。ξ＝re^iθ,为压缩参量，其中，0≤r＜∞，称为压缩幅，用于描述压缩态的压缩程度；0≤θ＜2π，用于描述在相空间中的压缩方向；α＝X₁+iX₂，其为相平面中的一个复数，用于描述平移算符对涨落区域的平移量；X₁和X₂分别代表该平面中的横坐标和纵坐标。

进一步，所述平移压缩真空态为一种高斯态，当取θ值分别为0和π时，其Wigner函数为：

其中，

和

分别为涨落区域在相空间中沿X₁和X₂坐标轴平移的数值。

Wigner函数包含了两个正交分量的统计分布信息，当θ为0时：

当θ为π时：

可见，压缩态的正交分量分布类型为高斯分布，且参数θ决定了涨落区域的挤压方向，当θ＝0时，正交分量X₁的涨落压缩，正交分量X₂的涨落拉伸；而当θ＝π时，正交分量X₁的涨落拉伸，正交分量X₂的涨落压缩，涨落区域在相空间均呈现一种椭圆状。参数r决定了涨落区域的挤压程度，随着r值的增大，压缩态的压缩幅度也随之增大，涨落区域也变得越狭长。

结合高斯分布的特性，可计算出涨落拉伸的正交分量在相空间坐标轴一侧的分布概率，以X₁被拉伸为例，不难得出，当

时，X₁取值分布在X₂坐标轴右侧的概率为：

即X₁有很高的概率取值为正。同理，当

时，X₁将有很高的概率取值为负，概率同样达到0.977。可见，通过适当地调制平移量和压缩量，可以使平移压缩真空态中被拉伸的正交分量“恰当地”位于坐标轴一侧，使该正交分量有确定的正负符号，将协议的固有误码率降至很低的水平。

光信号在光纤中传输时会受到信道损耗的影响，在信道损耗作用下，由量子光学主方程(Mater Equation)可推算出，平移压缩真空态的演化将产生两方面的机制。一方面，压缩态的压缩度降低，表现为受挤压分量涨落增大，而被拉伸的分量涨落减小，涨落区域椭圆的长轴缩短。另一方面，随着平均光子数的减少，涨落区域中心向原点靠拢。这两种演化机制相结合，适当调节压缩态的参数，可使得在一定损耗范围内，拉伸分量基本维持在坐标轴一侧，即拥有确定的正负号。压缩态的上述特性为有损信道中的离散调制连续变量QKD提供了显著的优势。

所述离散调制，是指通过调控平移压缩真空态中的参数r、θ和α，来实现四类不同压缩态的调制，在保证信息安全的条件下实现信息的编码。具体的，首先通过压缩算符S(ξ)，作用于真空态|0＞，产生压缩真空态|ξ＞，完成编码基矢的选定。具体的，若选取正交分量X₁进行编码，则设置θ为π，若选取正交分量X₂进行编码，则设置θ为0。确定编码基矢后，随即进行比特数值的编码，即使用平移算符D(α)作用于|ξ＞，产生平移压缩真空态|α,ξ>。具体的，若选取的正交分量为X₁，则将涨落区域沿X₁方向平移

对应编码的比特值分别为1和0，同时随机调整X₂的数值。同理，若选取的正交分量为X₂，则将涨落区域沿X₂方向平移

所编码的比特值分别为1和0，而随机调整X₁的数值。

在上述过程中，被编码的正交分量要沿其自身方向随机地平移

以完成比特信息的加载。而未被编码的正交分量同样也要随机地调制数值，使两个正交分量在多次测量中具有相同的统计分布。具体而言，以X₁分量为编码量举例，X₁的数值分布为:

其中：

分别为X₁编码比特为0和1时的概率分布。则相应的，以X₁的概率分布F(X₁)为概率密度函数来对X₂的数值进行调制，以达到两个分量具有相同统计分布的效果，保证安全性。

本发明利用平移压缩真空态的正交分量符号对信道损耗具有免疫这一特性，结合离散调制连续变量QKD原理，提出了一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD方案。与四态协议的相干光方案相比，本方案所允许的调制方差更大，所受信道损耗影响更小，误码率更低，传输距离更远，实现了更高的信道容量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统，包括发送方和接收方。

所述发送方和接收方通过量子信道和经典信道连接。

其中：所述量子信道用于传输信号光和同步光，所述经典信道用于传输经典光，进行基矢对比和后处理等操作。

具体的，所述后处理，是QKD的一个术语，是指通过算法来对密钥信息进行提取和提纯等操作。

所述发送方进行密钥序列的生成、量子态的制备和发送，与接收方进行基矢对比和后处理过程。

所述接收方对发送过来的量子态进行测量并记录数据，与发送方进行基矢对比和后处理过程。

所述发送方包括第一激光器、第二激光器、衰减器、可变光衰减器、第一分束器、光功率计、调制模块、发送端FPGA、发送端PC和波分复用器。

具体的，所述第一分束器为1:99分束器，包括一个输入端口和两个输出端口，两个输出端口分别为大光比输出端口和小光比输出端口。

所述第一激光器与第二激光器均具有同步输入端口和光输出端口。

所述发送端FPGA包括一个输入端口和三个输出端口；

所述调制模块包括控制端口、输入端口和输出端口；

所述波分复用器包括两个输入端口和一个输出端口；

所述第一激光器的光输出端口经过衰减器与第一分束器的输入端口连接，第一分束器的大光比输出端口与光功率计相连，其小光比输出端口通过可变光衰减器与调制模块的输入端口相连；所述发送端PC与发送端FPGA的输入端口相连，发送端FPGA的三个输出端口分别与第一激光器的同步输入端口、调制模块的控制端口以及第二激光器的同步输入端口相连；所述波分复用器的两个输入端口分别与调制模块的输出端口、第二激光器的光输出端口连接；波分复用器的输出端口通过量子信道与接收方连接。

具体的，在所述发送方中，发送端PC生成原始密钥序列和控制序列，发送给发送端FPGA，同时与接收方进行经基矢对比和后处理等经典通信。所述发送端FPGA实现对第一激光器、调制模块和第二激光器的高速控制；所述第一激光器在发送端FPGA的触发下产生波长为1550nm的原始光脉冲信号。所述衰减器用于提供对原始光脉冲信号的初步衰减。所述第一分束器为1:99非对称分束器，将光信号分为两路，一路强光通过大光比输出端口输出到光功率计进行光功率监测，另一路弱光通过小光比输出端口输出到可变光衰减器。所述可变光衰减器根据检测到的光功率对光脉冲信号进行衰减，使单个脉冲信号能量衰减到光子级别。所述调制模块在发送端FPGA的控制下对每一个光脉冲进行量子态调制，调制后的光脉冲量子态为平移压缩真空态。所述第二激光器接收来自发送端FPGA的同步触发信号，发射出1310nm的同步光信号。所述波分复用器对接收到的来自调制模块的1550nm信号光和第二激光器的同步光进行波分复用，发送到接收方。

所述接收方包括接收端PC、接收端FPGA、光电转换模块、波分解复用器、相位调制器、第三激光器、第二分束器、第一探测器、第二探测器和减法器；

具体的，所述波分解复用器包括一个输入端口和两个输出端口。所述光电转换模块包括一个输入端口和两个输出端口。所述接收端FPGA包括两个输入端口和一个输出端口。所述第三激光器包括一个输入端口和一个输出端口。所述相位调制器包括光输入端口、射频信号控制端口和光输出端口。所述第二分束器为50:50等比分束器，其包括两个输入端口和两个输出端口。

所述接收端PC一端与发送端PC通过经典信道相连，另一端与接收端FPGA的一个输入端口相连。所述接收端FPGA的另一个输入端口与所述光电转换模块的一个输出端口相连，光电转换模块的另一个输出端口与第三激光器的输入端口相连；

所述波分解复用器的输入端口与发送方的波分复用器的输出端口连接，波分解复用器的两个输出端口分别与光电转换模块的输入端口、第二分束器的一个输入端口连接。所述第二分束器的另一个输入端口与相位调制器的光输出端口相连，第二分束器的两个输出端口分别与第一探测器、第二探测器相连。

所述相位调制器的射频信号控制端口与接收端FPGA的输出端口相连，其光输入端口与第三激光器的输出端口相连。所述第一探测器、第二探测器均通过减法器与接收端PC相连。

具体的，在所述接收方中，波解分复用器对接收到的信号进行解调，解调出的信号光和同步光分别发送给分束器和光电转换模块。所述光电转换模块将同步光转换为电信号，一方面为第三激光器提供同步触发信号，另一方面为接收端FPGA提供控制触发信号。所述第三激光器在触发信号的作用下发射出同步的本振光脉冲。所述接收端FPGA通过其输入端口接收来自接收端PC的调制序列，在光电转换模块的控制触发信号作用下，通过相位调制器实现对光脉冲的同步调制。所述相位调制器调制本振光与信号光之间的相对相位，实现对所要测量正的交分量的选择。所述第二分束器为50:50对称分束器，接收来自相位调制器的本振光脉冲和波分解复用器的信号脉冲，使两束光脉冲进行干涉。所述第一探测器和第二探测器分别对第二分束器的两个输出端口的信号进行探测。所述减法器对两个探测器的输出电流强度进行减法运算，最终得到所测量脉冲信号的某一正交分量信息，将其发送给接收端PC。所述接收端PC记录下接收到的数据，与发送端PC通过经典通信的方式进行基矢对比、噪声分析和后处理等过程。

具体的，所述发送端FPGA和接收端FPGA为“Field Programmable Gate Array”，即现场可编程逻辑门阵列。

本发明还提供了一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：生成序列；位于发送方的发送端PC生成长度为n的三组序列{a_n}、{b_n}和{c_n}；其中，序列{a_n}和{b_n}为二进制随机序列，分别用于决定编码的正交分量和所编码的比特值；序列{c_n}为一组长度为n的随机变量，其取值的概率密度为：

其中：

其目的是使两个正交分量的统计分布相一致；同时，位于接收方的接收端PC也生成一组长度为n的二进制随机序列{d_n}，用于决定接收端所选取的测量基。

步骤二：信号衰减；发送端PC通过发送端FPGA触发第一激光器产生1550nm波长脉冲光，通过第一级固定衰减器之后，信号通过第一分束器分为两束，一束经其中一个输出端口进入光功率计进行功率监控，另一束经另一个输出端口进入可变光衰减器进行第二级可变功率衰减，通过功率监控调节可变光衰减器的衰减值，使光功率衰减到光子级别。

步骤三：量子态调制；发送端PC通过发送端FPGA控制调制模块对衰减过后的光脉冲进行量子态调制；先通过压缩机制调制出压缩真空态，完成基矢的选择，再通过平移机制调制出平移压缩真空态，完成比特的加载。

具体的，调制模块通过简并参量下转换效应完成压缩调制，根据序列{a_n}控制压缩调制中的压缩参数。当a_n取值为0时，设置压缩参数中的θ值为π，对X₁分量涨落进行拉伸；而当a_n取值为1时，设置θ值为0，表明对X₂分量涨落进行拉伸。在完成压缩真空态的调制后，调制模块进一步通过对振幅和相位的控制实现对正交分量涨落区域中心的平移操作。根据序列{b_n}和{c_n}控制平移操作中的平移参数。在a_n取值为0的条件下，{b_n}调制X₁的涨落中心

的取值，b_n为0则

为

b_n为1则

为

{c_n}调制X₂的涨落中心

的取值，使X₂的概率分布服从函数

而在a_n取值为1的条件下，{b_n}调制

的取值，b_n为0则

为

b_n为1则

为

{c_n}调制

的取值，使其概率分布服从函数

步骤四：复用与解复用；发送端FPGA触发第二激光器产生1310nm同步光脉冲，通过波分复用器与量子信号光进行共纤传输，发送给接收方。信号到达接收方后，通过波分解复用器解调出同步光和信号光。

步骤五：调制本振光；在接收方中，调制出来的同步光进入光电转换模块，光电转换模块输出电信号到接收端FPGA和第三激光器，进行同步本振光的输出和控制。第三激光器输出光脉冲发送到相位调制器，接收端FPGA根据接收自接收端PC的序列{d_n}控制相位调制器的调制相位，决定所要测量的正交分量。

具体的，根据干涉原理，当d_n为0时，调制信号光与本振光的相对相位为0，此时本振光将对信号光的X₂分量进行放大，用于测量X₂分量；当d_n为1时，调制信号光与本振光的相对相位为π/2，此时本振光将对信号光的X₁分量进行放大，用于测量X₁分量。

步骤六：零差探测；接收到的量子脉冲信号和调制的本振光同时进入50:50第二分束器的两个输入端口进行干涉，其输出光分别进入上下输出光路上的第一探测器、第二探测器；两个探测器的输出信号通过减法器运算后，输出包含有某一正交分量测量值的信号到接收端PC。

步骤七：基矢对比；接收端PC记录下测量的正交分量符号和绝对值，与发送端PC通过经典信道进行基矢对比，若基矢相匹配，则根据测得的正交分量符号进行成码；若所测分量值为负，则成码为0，若所测分量值为正，则成码为1；双方舍弃掉不匹配的测量，保留匹配的测量结果。

步骤八：窃听检测；发送方随机地选取一半保留的结果用于窃听检测，并将这部分数据公开，接收方根据测量数据计算相应的“噪声”，若“噪声”高于阈值，则终止协议，重新从第一步开始。

步骤九：后处理；发送端和接收端进行数据后处理，包括数据协调和和保密增强等步骤，最终得到安全密钥。

通过上述步骤，发送方完成量子态的制备，通过量子信道发送给接收方。接收方通过零差探测随机地选取一个正交分量进行测量，若恰好选取到正确的测量基，则能够以接近1的概率获得正确的正交分量符号，若选取到错误的测量基，因非编码正交分量数值被随机调制，则有一半的概率获得相反的测量符号。接收方Bob记录下测量结果的符号和绝对值，通过经典信道与发送方进行基矢对比。若基矢匹配，则根据符号进行成码，符号为正则成码为1，符号为负则成码为0，绝对值用于进行参数和信道估计。若基矢不匹配，则舍弃此次测量结果。通信双方随后进行误码率检测、隐私放大和密钥提取等后处理过程，完成量子密钥分发。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的技术方案采用压缩态为光源量子态，其正交分量符号对信道损耗具有一定免疫性，增加了其传输距离。在远距离传输下，仍能维持较低的误码率，提高了远距离情况下的密钥率。另外，通过与离散调制连续变量QKD协议相结合，使得密钥解调过程大幅简化，对后处理算法要求大大降低。

附图说明

图1为本发明提供的QKD系统所调制的量子态在相空间中的示意图；

图2为本发明提供的QKD系统的发送方Ailce结构框图；

图3为本发明提供的QKD系统的接收方Bob结构框图；

图4为本发明提供的QKD系统的结构框图；

图5为本发明提供的QKD方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图4所示，本发明提供了一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统，包括发送方Alice和接收方Bob。

所述发送方Alice和接收方Bob通过量子信道和经典信道连接。

其中：所述量子信道用于传输信号光和同步光，所述经典信道用于传输经典光，进行基矢对比和后处理等操作。

所述发送方Alice进行密钥序列的生成、量子态的制备和发送，与接收方Bob进行基矢对比和后处理过程。

所述接收方Bob对发送过来的量子态进行测量并记录数据，与发送方Alice进行基矢对比和后处理过程。

如图2所示，所述发送方Alice包括第一激光器、第二激光器、衰减器Att、可变光衰减器VOA、第一分束器BS1、光功率计、调制模块、发送端FPGA、发送端PC和波分复用器。

具体的，所述第一分束器BS1为1:99分束器，包括一个输入端口1和两个输出端口2、3，两个输出端口2、3分别为大光比输出端口和小光比输出端口。

所述第一激光器与第二激光器均具有同步输入端口1和光输出端口2。

所述发送端FPGA包括一个输入端口1和三个输出端口2、3、4；

所述调制模块包括控制端口1、输入端口2和输出端口3；

所述波分复用器包括两个输入端口1、2和一个输出端口3；

所述第一激光器的光输出端口2经过衰减器与第一分束器BS1的输入端口1连接，第一分束器的大光比输出端口2与光功率计相连，其小光比输出端口3通过可变光衰减器VOA与调制模块的输入端口2相连；所述发送端PC与发送端FPGA的输入端口1相连，发送端FPGA的三个输出端口2、3、4分别与第一激光器的同步输入端口1、调制模块的控制端口1以及第二激光器的同步输入端口1相连；所述波分复用器的两个输入端口1、2分别与调制模块的输出端口3、第二激光器的光输出端口2连接；波分复用器的输出端口3通过量子信道与接收方连接。

具体的，在所述发送方Alice中，发送端PC生成原始密钥序列和控制序列，发送给发送端FPGA，同时与接收方进行经基矢对比和后处理等经典通信。所述发送端FPGA实现对第一激光器、调制模块和第二激光器的高速控制；所述第一激光器在发送端FPGA的触发下产生波长为1550nm的原始光脉冲信号。所述衰减器Att用于提供对原始光脉冲信号的初步衰减。所述第一分束器BS1为1:99非对称分束器，将光信号分为两路，一路强光通过大光比输出端口2输出到光功率计进行光功率监测，另一路弱光通过小光比输出端口3输出到可变光衰减器VOA。所述可变光衰减器VOA根据检测到的光功率对光脉冲信号进行衰减，使单个脉冲信号能量衰减到光子级别。所述调制模块在发送端FPGA的控制下对每一个光脉冲进行量子态调制，调制后的光脉冲量子态为平移压缩真空态。所述第二激光器接收来自发送端FPGA的同步触发信号，发射出1310nm的同步光信号。所述波分复用器对接收到的来自调制模块的1550nm信号光和第二激光器的同步光进行波分复用，发送到接收方Bob。

如图3所示，所述接收方Bob包括接收端PC、接收端FPGA、光电转换模块PD、波分解复用器、相位调制器、第三激光器、第二分束器BS2、第一探测器、第二探测器和减法器；

具体的，所述波分解复用器包括一个输入端口1和两个输出端口2、3。所述光电转换模块PD包括一个输入端口1和两个输出端口2、3。所述接收端FPGA包括两个输入端口1、2和一个输出端口3。所述第三激光器包括一个输入端口1和一个输出端口2。所述相位调制器包括光输入端口1、射频信号控制端口2和光输出端口3。所述第二分束器BS2为50:50等比分束器，其包括两个输入端口1、2和两个输出端口3、4。

所述接收端PC一端与发送端PC通过经典信道相连，另一端与接收端FPGA的一个输入端口1相连。所述接收端FPGA的另一个输入端口2与所述光电转换模块PD的一个输出端口2相连，光电转换模块PD的另一个输出端口3与第三激光器的输入端口1相连；

所述波分解复用器的输入端口1与发送方的波分复用器的输出端口3连接，波分解复用器的两个输出端口2、3分别与光电转换模块PD的输入端口1、第二分束器BS2的一个输入端口2连接。所述第二分束器BS2的另一个输入端口1与相位调制器的光输出端口3相连，第二分束器BS2的两个输出端口3、4分别与第一探测器、第二探测器相连。

所述相位调制器的射频信号控制端口2与接收端FPGA的输出端口3相连，其光输入端口1与第三激光器的输出端口2相连。所述第一探测器、第二探测器均通过减法器与接收端PC相连。

具体的，在所述接收方Bob中，波解分复用器对接收到的信号进行解调，解调出的信号光和同步光分别发送给分束器和光电转换模块PD。所述光电转换模块PD将同步光转换为电信号，一方面为第三激光器提供同步触发信号，另一方面为接收端FPGA提供控制触发信号。所述第三激光器在触发信号的作用下发射出同步的本振光脉冲。所述接收端FPGA通过其输入端口1接收来自接收端PC的调制序列，在光电转换模块的控制触发信号作用下，通过相位调制器实现对光脉冲的同步调制。所述相位调制器调制本振光与信号光之间的相对相位，实现对所要测量正的交分量的选择。所述第二分束器BS2为50:50对称分束器，接收来自相位调制器的本振光脉冲和波分解复用器的信号脉冲，使两束光脉冲进行干涉。所述第一探测器和第二探测器分别对第二分束器BS2的两个输出端口的信号进行探测。所述减法器对两个探测器的输出电流强度进行减法运算，最终得到所测量脉冲信号的某一正交分量信息，将其发送给接收端PC。所述接收端PC记录下接收到的数据，与发送端PC通过经典通信的方式进行基矢对比、噪声分析和后处理等过程。

如图5所示，本实施例还提供了一种应用于上述QKD系统的基于压缩态的离散调制连续变量QKD方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：生成序列；位于发送方的发送端PC生成长度为n的三组序列{a_n}、{b_n}和{c_n}；其中，序列{a_n}和{b_n}为二进制随机序列，分别用于决定编码的正交分量和所编码的比特值；序列{c_n}为一组长度为n的随机变量，其取值的概率密度为：

其中：

其目的是使两个正交分量的统计分布相一致；同时，位于接收方的接收端PC也生成一组长度为n的二进制随机序列{d_n}，用于决定接收端所选取的测量基。

步骤二：信号衰减；发送端PC通过发送端FPGA触发第一激光器产生1550nm波长脉冲光，通过第一级固定衰减器Att之后，信号通过第一分束器BS1分为两束，一束经其中一个输出端口2进入光功率计进行功率监控，另一束经另一个输出端口3进入可变光衰减器VOA进行第二级可变功率衰减，通过功率监控调节可变光衰减器VOA的衰减值，使光功率衰减到光子级别。

步骤三：量子态调制；发送端PC通过发送端FPGA控制调制模块对衰减过后的光脉冲进行量子态调制；先通过压缩机制调制出压缩真空态，完成基矢的选择，再通过平移机制调制出平移压缩真空态，完成比特的加载。

具体的，调制模块通过简并参量下转换效应完成压缩调制，根据序列{a_n}控制压缩调制中的压缩参数。当a_n取值为0时，设置压缩参数中的θ值为π，对X₁分量涨落进行拉伸；而当a_n取值为1时，设置θ值为0，表明对X₂分量涨落进行拉伸。在完成压缩真空态的调制后，调制模块进一步通过对振幅和相位的控制实现对正交分量涨落区域中心的平移操作。根据序列{b_n}和{c_n}控制平移操作中的平移参数。在a_n取值为0的条件下，{b_n}调制X₁的涨落中心

的取值，b_n为0则

为

b_n为1则

为

{c_n}调制X₂的涨落中心

的取值，使X₂的概率分布服从函数

而在a_n取值为1的条件下，{b_n}调制

的取值，b_n为0则

为

b_n为1则

为

{cn}调制

的取值，使其概率分布服从函数

如图1所示，即为按照上述规则和过程，调制出的平移压缩真空态在相空间的示意图。图1a即为θ值为0，调制X₁分量时的量子态。X₂坐标轴左侧量子态代表加载的比特值为0，右侧量子态代表加载的比特值为1。图1b为θ值为π，调制X₂分量时的量子态。X₁坐标轴下方量子态代表加载的比特值为0，上方量子态代表加载的比特值为1。

步骤四：复用与解复用；发送端FPGA触发第二激光器产生1310nm同步光脉冲，通过波分复用器与量子信号光进行共纤传输，发送给接收方Bob。信号到达接收方后，通过波分解复用器解调出同步光和信号光。

步骤五：调制本振光；在接收方中，调制出来的同步光进入光电转换模块PD，光电转换模块PD输出电信号到接收端FPGA和第三激光器，进行同步本振光的输出和控制。第三激光器输出光脉冲发送到相位调制器，接收端FPGA根据接收自接收端PC的序列{d_n}控制相位调制器的调制相位，决定所要测量的正交分量。

具体的，根据干涉原理，当d_n为0时，调制信号光与本振光的相对相位为0，此时本振光将对信号光的X₂分量进行放大，用于测量X₂分量；当d_n为1时，调制信号光与本振光的相对相位为π/2，此时本振光将对信号光的X₁分量进行放大，用于测量X₁分量。

如图1所示，只有当接收方Bob选择了正确的测量基时，才能获得正交分量正确的符号。以图1a为例，若Bob选取X₁分量进行测量，测量值的方差虽然会较大，但X₁的涨落中心受加载的比特值调制，故而能够通过测量的正负号解调出比特值。相反，若Bob选取X₂分量进行测量，因X₂的涨落中心按概率

随机分布，其符号也是随机的，与所加载的比特值无关，故而无法解调出比特值。量子力学的测不准原理和压缩态分量的固有噪声保证了本方案的安全性。

步骤六：零差探测；接收到的量子脉冲信号和调制的本振光同时进入50:50第二分束器BS2的两个输入端口进行干涉，其输出光分别进入上下输出光路上的第一探测器、第二探测器；两个探测器的输出信号通过减法器运算后，输出包含有某一正交分量测量值的信号到接收端PC。

步骤七：基矢对比；接收端PC记录下测量的正交分量符号和绝对值，与发送端PC通过经典信道进行基矢对比，若基矢相匹配，则根据测得的正交分量符号进行成码；若所测分量值为负，则成码为0，若所测分量值为正，则成码为1；双方舍弃掉不匹配的测量，保留匹配的测量结果。

步骤八：窃听检测；发送方随机地选取一半保留的结果用于窃听检测，并将这部分数据公开，接收方Bob根据测量数据计算相应的“噪声”，若“噪声”高于阈值，则终止协议，重新从第一步开始。

步骤九：后处理；发送端和接收端进行数据后处理，包括数据协调和和保密增强等步骤，最终得到安全密钥。

通过上述步骤，发送方Alice完成量子态的制备，通过量子信道发送给接收方Bob。接收方Bob通过零差探测随机地选取一个正交分量进行测量，若恰好选取到正确的测量基，则能够以接近1的概率获得正确的正交分量符号，若选取到错误的测量基，因非编码正交分量数值被随机调制，则有一半的概率获得相反的测量符号。接收方Bob记录下测量结果的符号和绝对值，通过经典信道与Alice进行基矢对比。若基矢匹配，则根据符号进行成码，符号为正则成码为1，符号为负则成码为0，绝对值用于进行参数和信道估计。若基矢不匹配，则舍弃此次测量结果。通信双方随后进行误码率检测、隐私放大和密钥提取等后处理过程，完成量子密钥分发。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD系统，其特征在于，所述系统包括发送方和接收方；所述发送方和接收方通过量子信道、经典信道连接；

其中：所述量子信道用于传输信号光和同步光，所述经典信道用于传输经典光，进行基矢对比及后处理；

所述发送方进行密钥序列的生成、量子态的制备和发送，与接收方进行基矢对比和后处理过程；

所述接收方对接收到的量子态进行测量并记录数据，与发送方进行基矢对比和后处理过程。

2.根据权利要求1所述的QKD系统，其特征在于，所述发送方包括第一激光器、第二激光器、衰减器、可变光衰减器、第一分束器、光功率计、调制模块、发送端FPGA、发送端PC和波分复用器。

3.根据权利要求2所述的QKD系统，其特征在于，在所述发送方中，所述发送端PC生成原始密钥序列和控制序列，发送给发送端FPGA，并与接收方进行经典通信；

所述发送端FPGA对第一激光器、调制模块和第二激光器进行控制；所述第一激光器在发送端FPGA的触发下产生原始光脉冲信号；

所述衰减器用于提供对原始光脉冲信号的初步衰减；

所述第一分束器为非对称分束器，其将光信号分为两路，一路强光输出至光功率计进行光功率监测，另一路弱光输出至可变光衰减器；

所述可变光衰减器根据检测到的光功率对光脉冲信号进行衰减，使单个脉冲信号能量衰减到光子级别；

所述调制模块在发送端FPGA的控制下对每一个光脉冲进行量子态调制，调制后的光脉冲量子态为平移压缩真空态；

所述第二激光器接收来自发送端FPGA的同步触发信号，发射出同步光信号；

所述波分复用器对接收到的来自调制模块的信号光以及第二激光器的同步光进行波分复用，发送到接收方。

4.根据权利要求1所述的QKD系统，其特征在于，所述接收方包括接收端PC、接收端FPGA、光电转换模块、波分解复用器、相位调制器、第三激光器、第二分束器、第一探测器、第二探测器和减法器。

5.根据权利要求4所述的QKD系统，其特征在于，在所述接收方中，波解分复用器对接收到的信号进行解调，解调出的信号光和同步光分别发送给分束器和光电转换模块；

所述光电转换模块将同步光转换为电信号，为第三激光器提供同步触发信号，以及为接收端FPGA提供控制触发信号；

所述第三激光器在触发信号的作用下发射出同步的本振光脉冲；

所述接收端FPGA接收来自接收端PC的调制序列，在光电转换模块的控制触发信号作用下，通过相位调制器实现对光脉冲的同步调制；

所述相位调制器调制本振光与信号光之间的相对相位；

所述第二分束器为对称分束器，接收来自相位调制器的本振光脉冲和波分解复用器的信号脉冲，使两束光脉冲进行干涉；

所述第一探测器和第二探测器分别对第二分束器输出端口的信号进行探测；

所述减法器对第一探测器、第二探测器的输出电流强度进行减法运算，得到所测量脉冲信号的正交分量信息，将其发送给接收端PC；

所述接收端PC记录下接收到的数据，与发送端PC通过经典通信的方式进行基矢对比、噪声分析及后处理操作。

6.根据权利要求3所述的QKD系统，其特征在于，所述第一分束器为1:99非对称分束器。

7.根据权利要求5所述的QKD系统，其特征在于，所述第二分束器为50:50对称分束器。

8.根据权利要求3所述的QKD系统，其特征在于，所述第一分束器包括一个输入端口和两个输出端口，两个输出端口分别为大光比输出端口和小光比输出端口；

所述第一激光器与第二激光器均具有同步输入端口和光输出端口；所述发送端FPGA包括一个输入端口和三个输出端口；所述调制模块包括控制端口、输入端口和输出端口；所述波分复用器包括两个输入端口，以及一个输出端口；

所述第一激光器的光输出端口经过衰减器与第一分束器的输入端口连接，第一分束器的大光比输出端口与光功率计相连，其小光比输出端口通过可变光衰减器与调制模块的输入端口相连；所述发送端PC与发送端FPGA的输入端口相连，发送端FPGA的三个输出端口分别与第一激光器的同步输入端口、调制模块的控制端口以及第二激光器的同步输入端口相连；所述波分复用器的两个输入端口分别与调制模块的输出端口、第二激光器的光输出端口连接；波分复用器的输出端口通过量子信道与接收方连接。

9.根据权利要求5所述的QKD系统，其特征在于，所述波分解复用器包括一个输入端口和两个输出端口；

所述光电转换模块包括一个输入端口和两个输出端口；

所述接收端FPGA包括两个输入端口和一个输出端口；

所述第三激光器包括一个输入端口和一个输出端口；所述相位调制器包括光输入端口、射频信号控制端口和光输出端口；

所述第二分束器包括两个输入端口和两个输出端口；

所述接收端PC一端与发送端PC通过经典信道相连，另一端与接收端FPGA的一个输入端口相连；所述接收端FPGA的另一个输入端口与所述光电转换模块的一个输出端口相连，光电转换模块的另一个输出端口与第三激光器的输入端口相连；

所述波分解复用器的输入端口与发送方的波分复用器的输出端口连接，波分解复用器的两个输出端口分别与光电转换模块的输入端口、第二分束器的一个输入端口连接；

所述第二分束器的另一个输入端口与相位调制器的光输出端口相连，第二分束器的两个输出端口分别与第一探测器、第二探测器相连；

所述相位调制器的射频信号控制端口与接收端FPGA的输出端口相连，其光输入端口与第三激光器的输出端口相连；所述第一探测器、第二探测器均通过减法器与接收端PC相连。

10.一种基于压缩态的离散调制连续变量QKD方法，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的QKD系统；所述方法包括以下步骤：

步骤一：生成序列；位于发送方的发送端PC生成长度为n的三组序列{a_n}、{b_n}和{c_n}；其中，序列{a_n}和{b_n}为二进制随机序列，分别用于决定编码的正交分量和所编码的比特值；序列{c_n}为一组长度为n的随机变量，其取值的概率密度为：

其中：

位于接收方的接收端PC生成一组长度为n的二进制随机序列{d_n}，用于决定接收端所选取的测量基；

步骤二：信号衰减；发送端PC通过发送端FPGA触发第一激光器产生1550nm波长脉冲光，通过第一级固定衰减器后，信号通过第一分束器分为两束，一束经其中一个输出端口进入光功率计进行功率监控，另一束经另一个输出端口进入可变光衰减器进行第二级可变功率衰减，通过功率监控调节可变光衰减器的衰减值，使光功率衰减到光子级别；

步骤三：量子态调制；发送端PC通过发送端FPGA控制调制模块对衰减过后的光脉冲进行量子态调制；先通过压缩机制调制出压缩真空态，完成基矢的选择，再通过平移机制调制出平移压缩真空态，完成比特的加载；

步骤四：复用与解复用；发送端FPGA触发第二激光器产生1310nm同步光脉冲，通过波分复用器与量子信号光进行共纤传输，发送给接收方；信号到达接收方后，通过波分解复用器解调出同步光和信号光；

步骤五：调制本振光；在接收方中，调制出来的同步光进入光电转换模块，光电转换模块输出电信号到接收端FPGA和第三激光器，进行同步本振光的输出和控制；第三激光器输出光脉冲发送到相位调制器，接收端FPGA根据接收自接收端PC的序列{d_n}控制相位调制器的调制相位，决定所要测量的正交分量；

步骤六：零差探测；接收到的量子脉冲信号和调制的本振光同时进入第二分束器的两个输入端口进行干涉，其输出光分别进入上下输出光路上的第一探测器、第二探测器；两个探测器的输出信号通过减法器运算后，输出包含有正交分量测量值的信号到接收端PC；

步骤七：基矢对比；接收端PC记录下测量的正交分量符号和绝对值，与发送端PC通过经典信道进行基矢对比，若基矢相匹配，则根据测得的正交分量符号进行成码；若所测分量值为负，则成码为0，若所测分量值为正，则成码为1；双方舍弃掉不匹配的测量，保留匹配的测量结果；

步骤八：窃听检测；发送方随机地选取一半保留的结果用于窃听检测，并将这部分数据公开，接收方根据测量数据计算相应的“噪声”，若“噪声”高于阈值，则终止协议，重新从步骤一开始；

步骤九：后处理；发送端和接收端进行数据后处理，包括数据协调和和保密增强步骤，最终得到安全密钥。

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