CN111404681B - 连续变量测量设备无关量子密钥分发方法、系统及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续变量测量设备无关量子密钥分发方法、系统及介质，包括：步骤A：根据频偏估计技术，并借助导频信号对合法双方与中间方之间的频偏进行估计，实现频偏补偿；步骤B：根据相位估计技术，并根据合法双方公开的数据，计算与中间方接收数据间的相关系数，估计出各自信道所引入的相位漂移，实现量子信号的相位补偿。本发明可以在合法双方与中间方频偏未知以及信道引入相位漂移未知的情况下，实现三方的相位校准，进而保障量子密钥分发系统密钥的生成。

Description

连续变量测量设备无关量子密钥分发方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及量子密钥分发技术领域，具体地，涉及一种连续变量测量设备无关量子密钥分发方法、系统及介质。尤其地，涉及一种连续变量测量设备无关量子密钥分发系统的载波同步方法。
背景技术
当今社会，随着通信技术与互联网的飞速发展，信息的传播范围越来越广，人们对于信息安全的需求也与日俱增。密码学是信息安全的核心，密码技术的发展与进步为人们保障信息安全提供了坚实有效的基础。然而，随着分布式大规模计算和量子计算的快速发展，经典密码系统的安全性面临着巨大挑战。量子密钥分发系统是密码学与量子力学相结合的产物，已成为一种走向实用化的信息安全保障技术。它的安全性由量子力学基本原理保证，将该系统所产生的密钥用于“一次一密”密码方案，就可以实现理论上无条件安全的保密通信。连续变量量子测量设备无关密钥分发是量子密钥分发方案的一种，它基于相干态正交分量测不准原理，保障了密钥分发的安全性。同时，由于它的信号探测置于中间方，这种结构可以确保窃听者针对探测端的攻击不会对系统安全构成威胁，可以说是一种更为安全的密钥分发方案。
然而，在实际连续变量测量设备无关量子密钥分发系统中仍然存在一大问题。由于三方激光器光源的中心频率各不相同，频率的偏移会使信号光的相位快速旋转，淹没掉原始的调制信息，大大降低数据间的相关性。而信道抖动引起的相位偏差也会进一步引起过噪声，使系统的密钥率降低。因此，我们需要对信号进行相位补偿，保障两端信息的高度相关性，进而实现密钥的提取。
然而，在目前所有的已有方案中，更多的是针对收发两方的载波同步方案，并没有针对测量设备无关量子密钥分发系统这种三方的载波同步方案。而三方的载波同步由于存在两个不同且未知的频偏和相位漂移，因此其相位校准的复杂程度会更大。但只有使得三方的相位对齐，才能够保障收发数据的对应，进而获取密钥。
专利文献108696352A(申请号：201810512409.X)公开了一种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，量子密钥发送端先向量子密钥接收端发送相位参考信号用于替代本振光，量子密钥接收端对接收到的相位参考信号进行零差检测，根据测量结果，量子密钥接收端对量子信号进行相位补偿，随后量子密钥发送端和量子密钥接收端向量子密钥检测端发送量子信号，量子密钥测量端对接收到的量子信号进行零差检测，其零差检测所需的本振光由本地产生，检测结果通过经典信道发送给量子密钥发送端和量子密钥测量端。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种连续变量测量设备无关量子密钥分发方法、系统及介质。
根据本发明提供的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，包括：
步骤A：根据频偏估计技术，并借助导频信号对合法双方与中间方之间的频偏进行估计，实现频偏补偿；
步骤B：根据相位估计技术，并根据合法双方公开的数据，计算与中间方接收数据间的相关系数，估计出各自信道所引入的相位漂移，实现量子信号的相位补偿。
优选地，所述步骤A包括：
步骤A1：在合法双方分别制备导频信号，并将导频信号插入量子信号中，同时发送给中间方；
步骤A2：中间方检测到合法双方传输的导频信号后，对采集到的信号实现快速傅里叶变换，得到导频信号的频谱；
步骤A3：中间方通过提取频谱峰值，得到合法双方与中间方分别的频偏，实现频偏估计；
步骤A4：中间方将得到的频偏信息分别告知合法双方，合法双方通过频偏信息对调制数据进行频偏补偿，消除三方的频率偏差。
优选地，所述步骤B包括：
步骤B1：在数据频偏补偿后，分别公开一部分合法双方的数据，中间方同时公布与之对应的测量数据；
步骤B2：计算合法双方与中间方数据间的互相关系数，并通过循环遍历合法双方数据的相位角度来寻找互相关系数的最大值；
步骤B3：根据互相关系数最大值所对应的角度，确定双方信道所引入的相位漂移，实现相位估计；
步骤B4：中间方将得到的相位漂移信息告知合法双方，合法双方通过相位漂移信息对调制数据进行相位漂移补偿，对齐三方数据。
优选地，所述步骤A2包括：所有的导频信号数据均用于进行傅里叶变换。
优选地，所述步骤A3包括：由于合法双方与中间方频率偏差并不相同，在频谱出现两个峰值，根据实际传输距离来设定合法双方的导频信号强度，使得中间方通过峰值的高低判断峰值所代表频偏的来源。
优选地，所述步骤B2包括：对合法双方的数据进行相位角度均进行循环遍历，并在每一次循环时计算与接收数据的互相关系数，最终在遍历结束后确定所有互相关系数的最大值。
优选地，所述步骤B3包括：找到相关系数最大值所对应的相位角度，所述相位角度等同于信道中所引入的相位漂移，所述相位角度与实际相位漂移等价。
根据本发明提供的连续变量测量设备无关量子密钥分发系统，包括：
模块A：根据频偏估计技术，并借助导频信号对合法双方与中间方之间的频偏进行估计，实现频偏补偿；
模块B：根据相位估计技术，并根据合法双方公开的数据，计算与中间方接收数据间的相关系数，估计出各自信道所引入的相位漂移，实现量子信号的相位补偿。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明可以在合法双方与中间方频偏未知以及信道引入相位漂移未知的情况下，实现三方的相位校准，进而保障量子密钥分发系统密钥的生成。
2、本发明可以实现无条件安全的保密通信，保障信息传递的安全。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为连续变量测量设备无关系统结构图；
图2为载波同步方案流程图；
图中：图1里laser1,laser2和laser3表示连续激光器,A和φ分别表示强度调制器和相位调制器，xApA和xBpB为发送端调制信息，Gaussian Mod.表示高斯调制,xC和pD分别为探测到的数据，BS表示光分束器，π/2为90度相移用以改变测量基，Alice，Bob是合法双方，Charlie是中间方。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，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。
本发明提供一种提供的连续变量量子密钥分发系统中基于卡尔曼滤波的偏振追踪方案。由于人们对网络信息安全需求越来越高，量子密钥分发以其特有的安全性受到广泛关注。连续变量测量设备无关量子密钥分发协议是量子密钥分发的一种。不同于离散变量量子密钥分发，其密钥编码在光场的正则分量上。对于正则分量的检测人们普遍采用相干检测技术，而相干检测技术由于其高效率低成本的优势使得连续变量量子密钥分发协议与现有光传输系统更好的兼容性，成为了极具竞争力的商用解决方案。而测量设备无关的协议将接收端放置在中间方，使窃听者对于接收端的攻击不会对系统的安全性构成威胁，因此其安全性更高。然而，在实际密钥分发环境中，由于三方激光器的中心频率不同，以及两个不同信道所引入的相位漂移不同，三方相位将失准，数据便无法同步。为了解决这一问题，我们提出了载波同步方案，通过频偏估计和相位估计，对这类实际实施中产生的损伤进行补偿，进而保障收发端数据的对应，保障量子密钥分发系统的正确运行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
我们首先构建了连续变量测量设备无关量子密钥分发系统。
整个量子信号传输结构如图1所示，在发送端，我们首先通过连续激光器制备量子信号，并采用强度调制器和相位调制器实现发送端的高斯调制。此外，我们也制备一定的导频信号插入到量子信号中，用以标定频率偏差的变化。紧接着，我们将制备好的量子信号和导频信号通过信道同时发送给中间方。接收方接收到信号后，首先通过分束器进行双方信息的干涉，实现贝尔态测量。同时，中间方利用另一台连续激光器分出两束强度相等的本振光，分别与干涉得到的光场进行二次干涉，实现相干检测。值得注意的是，为了选取另一个测量基，我们对一束本振光进行90度相移，使其检测结果为另一正则分量。得到xC和pD后，我们便可进行后续数据处理。
载波同步方案详细流程如图2所示，当我们接收到两路正则分量之后，首先进行傅里叶变换，从而得到导频信号的频谱。根据频谱，我们能够提取峰值，找到合法双方与中间方的频率偏差值，由于不同激光器的中心频率不同，因此在频谱中会存在两个频率差值，我们可以通过调节导频信号的强度来确定峰值所代表的激光器。得到频偏之后，我们就可以对原始数据进行频偏恢复。解下来，我们对恢复后的信号进行相位的循环遍历，并同一部分的接收数据进行互相关的计算。循环结束后，我们从互相关系数中找寻最值，从而确定信道中引入的相位漂移，进而进行相位恢复。通过这种方式，我们能够确保三方的数据对齐，保障理论协议的实际实现。
将恢复后的量子信号再进行数据协商译码以及保密增强，最终形成密钥。该密钥用于“一次一密”密码方案，就可以实现无条件安全的保密通信，保障信息传递的安全。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，包括：
步骤A：根据频偏估计技术，并借助导频信号对合法双方与中间方之间的频偏进行估计，实现频偏补偿；
步骤B：根据相位估计技术，并根据合法双方公开的数据，计算与中间方接收数据间的相关系数，估计出各自信道所引入的相位漂移，实现量子信号的相位补偿；
所述步骤A包括：
步骤A1：在合法双方分别制备导频信号，并将导频信号插入量子信号中，同时发送给中间方；
步骤A2：中间方检测到合法双方传输的导频信号后，对采集到的信号实现快速傅里叶变换，得到导频信号的频谱；
步骤A3：中间方通过提取频谱峰值，得到合法双方与中间方分别的频偏，实现频偏估计；
步骤A4：中间方将得到的频偏信息分别告知合法双方，合法双方通过频偏信息对调制数据进行频偏补偿，消除三方的频率偏差；
所述步骤B包括：
步骤B1：在数据频偏补偿后，分别公开一部分合法双方的数据，中间方同时公布与之对应的测量数据；
步骤B2：计算合法双方与中间方数据间的互相关系数，并通过循环遍历合法双方数据的相位角度来寻找互相关系数的最大值；
步骤B3：根据互相关系数最大值所对应的角度，确定双方信道所引入的相位漂移，实现相位估计；
步骤B4：中间方将得到的相位漂移信息告知合法双方，合法双方通过相位漂移信息对调制数据进行相位漂移补偿，对齐三方数据。
2.根据权利要求1所述的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤A2包括：所有的导频信号数据均用于进行傅里叶变换。
3.根据权利要求1所述的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤A3包括：由于合法双方与中间方频率偏差并不相同，在频谱出现两个峰值，根据实际传输距离来设定合法双方的导频信号强度，使得中间方通过峰值的高低判断峰值所代表频偏的来源。
4.根据权利要求1所述的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤B2包括：对合法双方的数据进行相位角度均进行循环遍历，并在每一次循环时计算与接收数据的互相关系数，最终在遍历结束后确定所有互相关系数的最大值。
5.根据权利要求1所述的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤B3包括：找到相关系数最大值所对应的相位角度，所述相位角度等同于信道中所引入的相位漂移，所述相位角度与实际相位漂移等价。
6.一种连续变量测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，包括：
模块A：根据频偏估计技术，并借助导频信号对合法双方与中间方之间的频偏进行估计，实现频偏补偿；
模块B：根据相位估计技术，并根据合法双方公开的数据，计算与中间方接收数据间的相关系数，估计出各自信道所引入的相位漂移，实现量子信号的相位补偿；
所述模块A包括：
模块A1：在合法双方分别制备导频信号，并将导频信号插入量子信号中，同时发送给中间方；
模块A2：中间方检测到合法双方传输的导频信号后，对采集到的信号实现快速傅里叶变换，得到导频信号的频谱；
模块A3：中间方通过提取频谱峰值，得到合法双方与中间方分别的频偏，实现频偏估计；
模块A4：中间方将得到的频偏信息分别告知合法双方，合法双方通过频偏信息对调制数据进行频偏补偿，消除三方的频率偏差；
所述模块B包括：
模块B1：在数据频偏补偿后，分别公开一部分合法双方的数据，中间方同时公布与之对应的测量数据；
模块B2：计算合法双方与中间方数据间的互相关系数，并通过循环遍历合法双方数据的相位角度来寻找互相关系数的最大值；
模块B3：根据互相关系数最大值所对应的角度，确定双方信道所引入的相位漂移，实现相位估计；
模块B4：中间方将得到的相位漂移信息告知合法双方，合法双方通过相位漂移信息对调制数据进行相位漂移补偿，对齐三方数据。
7.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
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