CN111510207A - 量子密钥分发系统中源端光强波动测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了量子密钥分发系统中源端光强波动测试方法，目的是解决真空态、诱骗态和信号态光脉冲强度区间浮动不可知的问题，实现对三种状态光脉冲强度波动的测量。技术方案是先构建由光电转换器与示波器组成的量子密钥传输光强波动测量系统，光电转换器与示波器、光强调制器相连；统计量子密钥传输光强波动测量系统的噪声分布；对真空态、诱骗态和信号态光强度波动区间进行测量；对真空态、诱骗态和信号态光强度波动区间测量结果、噪声进行高斯函数拟合，使用高斯分布分解的方法对三个状态的高斯函数去噪，获得三个状态真实的光强波动分布。采用本发明可实现对光脉冲强度的实时准确探测，提高密钥传输的安全性。

Description

量子密钥分发系统中源端光强波动测试方法

技术领域

本发明涉及一种量子密钥分发系统中用于测量真空态、诱骗态和信号态光脉冲强度波动的方法，真空态指理想情况下无光子的真空脉冲，诱骗态指用于监测和估计量子信道参数的辅助态脉冲，信号态指传输量子密钥的光脉冲。

背景技术

偏振编码的量子密钥分发系统(Quantum KeyDistribution,以下简称QKD系统)由激光器、光强调制器、和包含光衰减器的后续实验设备组成，其工作原理如下：量子密钥发送方每次从光子的四种偏振态：水平偏振、竖直偏振、45度偏振、135度偏振中随机选择一种，并制备单光子脉冲，通过量子信道发送给量子密钥接收方。接收方接收到发送方传输的单光子脉冲后，从两组测量基：水平和竖直偏振测量基、45度和135度偏振测量基中随机选择一个，对接收到的光子的偏振态进行测量，将发送方发送来的偏振态投影至测量基中的一个偏振态。随后，接收方通过经典信道告知发送方在哪些时刻使用了哪一个测量基获得了测量结果。发送方在接收到接收方发送的测量基选择信息后，与自己在相应时刻发送的量子态所在的基矢进行比对，并通知接收方在哪些时刻双方选择了同样的基矢。发送方和接收方丢弃测量基选择不一致的部分，并保留使用了同一基矢的光子偏振信息。理想无窃听的情况下，发送方和接收方保留下的光子偏振信息是完全一致的，可作为密钥。该过程完成了密钥在发送方和接收方的分发共享。

在实际QKD系统中，发送方通过光衰减器将相干光脉冲弱化至单光子级别，制备成量子态，但相干光脉冲的光子不一定一直为单光子，可能存在多光子脉冲的可能。攻击者可以利用这一点，从多光子脉冲中截取单个光子，并保留下来，待发送方和接收方公布测量基矢时，攻击者利用同样的基矢测量截取的单光子，从而获得量子态的信息。这种攻击方式称为光子数分束攻击(photon-number-splittingattack，以下简称PNS攻击)。为了应对PNS攻击方式，引入诱骗态量子密钥分发协议，即在传输信号的光脉冲中加入监测量子信道参数的辅助诱骗态光脉冲及真空态光脉冲。诱骗态光脉冲是与传输密钥的信号态光脉冲具有同样性质但光强不同的光脉冲，通过对诱骗态光脉冲的监测可以防止攻击者通过PNS攻击窃取信息。

在理想化的QKD系统中，可以通过激光器、光强调制器和光衰减器完成对特定强度的光脉冲的精确制备。但实际设备运行过程中，光脉冲的制备过程可能存在波动，并不能得到强度完全一致且无偏差的光脉冲。光脉冲强度调制的波动，会对QKD系统的运行和密钥生成结果造成很大影响，使得生成密钥量的判断不准确，密钥率是指生成密钥中安全密钥的比率。密钥率的计算详情见2019年发表于NPJ Quantum Information杂志的《基于非独立量子态选择光源的量子密钥分发系统》一文第5-7页。以往的相关测量方法是利用光功率计测量发送方端的平均光功率，只能得到光脉冲强度的平均值，无法准确获知每个光脉冲的准确强度以及光脉冲的分布情况，导致无法准确得到QKD系统生成的密钥率，进而导致对生成的密钥安全性有过高的判断，存在极大安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种测量光脉冲强度波动分布的方法，解决量子密钥分发系统真空态、诱骗态和信号态光脉冲强度区间浮动不可知的问题，实现对三种状态光脉冲强度波动范围的测量，强度调制的波动将降低量子密钥分发系统生成的密钥量。因此，在实际量子密钥分发系统中，需考虑强度调制器的实际调制性能。为了保证在实际使用中量子密钥分发系统生成密钥的准确性和安全性，必须获知强度调制波动的实时数据，进而提高量子密钥分发系统的实际安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一步，构建量子密钥传输光强波动测量系统。量子密钥传输光强波动测量系统由光电转换器与示波器组成，光电转换器与示波器、QKD系统中发送方的光强调制器相连。光电转换器与QKD系统中发送方的光强调制器相连后，QKD系统中的光强调制器和激光器构成的光脉冲制备模块成为量子密钥传输光强波动测量系统的被测对象。光电转换器与示波器均要求带宽在1GHz以上。

第二步，统计量子密钥传输光强波动测量系统的噪声分布,得到噪声分布图像：在被测对象通电但不启动QKD协议运行的情况下，开启量子密钥传输光强波动测量系统中的光电转换器和示波器，利用示波器的统计功能，统计并积累测量系统本身的噪声分布(利用示波器的统计功能可以完成以上步骤)，并在示波器上保存噪声分布图像。

第三步，对三种状态光强度波动区间进行测量，得到的真空态、诱骗态和信号态光强波动分布图像，方法:

3.1将光电转换器和示波器开启至工作状态；

3.2三种状态光脉冲的产生。开启被测对象至偏振编码QKD系统运行的状态，使QKD系统随机产生真空态、诱骗态和信号态。

3.3利用光电转换器处理光脉冲信号。光电转换器探测被测对象的光强调制器输出的光强，并将光脉冲信号转换成同比例的电信号，将电信号输出给示波器。

3.4运用示波器对电信号进行统计，并根据电信号获得光强波动分布图像，方法是：利用示波器的统计功能统计由光电转换器传输的电信号强度分布，光脉冲强度与电信号强度呈线性关系，满足公式(一)

光脉冲强度＝电信号强度/转化系数 公式(一)

转化系数为光电转换器转化系数(由选用的光电转换器型号决定)，依据公式(一)根据电信号强度计算出光脉冲强度，从而依据电信号强度分布得到光脉冲强度分布，得到光脉冲强度分布图像，也即光强波动分布图像。

第四步，光强分布数据处理。其具体步骤为：

4.1三种光的强度分布数据处理。第三步中通过测量得到了被测对象的QKD系统激光发射和调制模块在运行过程中的产生的真空态、诱骗态和信号态的光强波动分布图像，将光强波动分布图像以柱状图形式呈现，其结果近似满足高斯分布。其中高斯分布的均值μ和方差σ²满足表达式

将得到的光强波动分布图像做高斯函数拟合，得到光脉冲强度波动对应的强度分布函数f1(x)、f2(x)、f3(x),三者分别为真空态、诱骗态和信号态的光强分布函数，x为光子强度。

4.2噪声强度分布数据处理。对第二步获得的测量系统本身的噪声分布图像以柱状图形式呈现，其结果也近似满足高斯分布。将得到的噪声分布图像做高斯函数拟合，得到噪声分布函数f4(x)。

4.3去除噪声处理。由于高斯分布的叠加(加或减)仍呈高斯分布曲线，使用高斯分布分解的方法对f1(x)、f2(x)、f3(x)去除噪声，获得真空态、诱骗态、信号态本身真实的光强波动分布。将步骤4.1结果f1(x)、f2(x)、f3(x)减去噪声分布函数f4(x)即为降噪后的光强分布结果。

即：

4.3.1使用4.1中获得的曲线f1(x)减去4.2中获得的曲线f4(x)得到真空态光强分布模型g1(x)。即g1(x)＝f1(x)-f4(x)。

4.3.2使用4.1中获得的曲线f2(x)减去4.2中获得的曲线f4(x)得到诱骗态光强分布模型g2(x)。即g2(x)＝f2(x)-f4(x)。

4.3.3使用4.1中获得的曲线f3(x)减去4.2中获得的曲线f4(x)得到信号态光强分布模型g3(x)。即g3(x)＝f3(x)-f4(x)。

g1(x)、g2(x)、g3(x)即为降噪后的光强分布结果。

利用背景技术中所述的密钥率计算方法，可以通过得到的g1(x)、g2(x)、g3(x)计算出准确的密钥率，得到对安全密钥量的准确判断，提高密钥传输的安全性。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.考虑到需要得到较为精确的强度波动区间，采用光电转换器探测光强调制器输出的光脉冲，输出的电信号与光强调制器输出的光脉冲强度呈线性关系，可实现对光脉冲强度的实时准确探测。

2.由于QKD系统发射端的光衰减器(包含在后续实验设备中)仅提供线性衰减，不影响光强分布，本发明测量进入光衰减器前的光脉冲信号，以获得更大光强。测试的经典光强的分布与经过光衰减器之后的弱相干光脉冲的光强分布一致。

3.通过实验数据统计并进行高斯分布处理，得到光脉冲强度的波动区间，相较以往测量方法得到的平均值，在精确程度上有了较大的提升。

4.通过对测量系统的噪声进行累积统计并获得噪声的高斯分布图像，经过高斯函数处理得到噪声的强度分布函数，利用高斯分布的可减性对得到的真空态、诱骗态、信号态光强分布数据进行处理，可以有效去除噪声的干扰，获得真实的光强波动分布，从而计算出准确的密钥率，得到真实的密钥量，提高密钥传输的安全性。

附图说明

图1是第一步构建的测试系统逻辑结构图。

图2是本发明总体流程图。

具体实施方式

本发明的具体流程如图2所示，包括以下步骤:

第一步，构建量子密钥传输光强波动测量系统。量子密钥传输光强波动测量系统如图1所示，由光电转换器与示波器组成，光电转换器与示波器、QKD系统中发送方的光强调制器相连。光电转换器与QKD系统中发送方的光强调制器相连后，QKD系统中的光强调制器和激光器构成的光脉冲制备模块成为量子密钥传输光强波动测量系统的被测对象。图1中的后续实验设备主要指光衰减器。光电转换器与示波器均要求带宽在1GHz以上。

第二步，统计量子密钥传输光强波动测量系统的噪声分布,得到噪声分布图像：在被测对象通电但不启动QKD协议运行的情况下，开启量子密钥传输光强波动测量系统中的光电转换器和示波器，利用示波器的统计功能，统计并积累测量系统本身的噪声分布，并在示波器上保存噪声分布图像。

第三步，对三种状态光强度波动区间进行测量，得到的真空态、诱骗态和信号态光强波动分布图像，方法:

3.1将光电转换器和示波器开启至工作状态；

3.2三种状态光脉冲的产生。开启被测对象至偏振编码QKD系统运行的状态，使QKD系统随机产生真空态、诱骗态和信号态。

3.3利用光电转换器处理光脉冲信号。光电转换器探测被测对象的光强调制器输出的光强，并将光脉冲信号转换成同比例的电信号，将电信号输出给示波器。

3.4运用示波器对电信号进行统计，并根据电信号获得光强波动分布图像，方法是：利用示波器的统计功能统计由光电转换器传输的电信号强度分布，光脉冲强度与电信号强度呈线性关系，满足公式(一)

光脉冲强度＝电信号强度/转化系数 公式(一)

转化系数为光电转换器转化系数，依据公式(一)根据电信号强度计算出光脉冲强度，从而依据电信号强度分布得到光脉冲强度分布，得到光脉冲强度分布图像，也即光强波动分布图像。

第四步，光强分布数据处理。其具体步骤为：

4.1三种光的强度分布数据处理。将第三步得到的真空态、诱骗态和信号态光强波动分布图像以柱状图形式呈现，其结果近似满足高斯分布。其中高斯分布的均值μ和方差σ²满足表达式

将得到的光强波动分布图像做高斯函数拟合，得到光脉冲强度波动对应的强度分布函数f1(x)、f2(x)、f3(x),三者分别为真空态、诱骗态和信号态的光强分布函数，x为光子强度。

4.2噪声强度分布数据处理。对第二步获得的测量系统本身的噪声分布图像以柱状图形式呈现，其结果也近似满足高斯分布。将得到的噪声分布图像做高斯函数拟合，得到噪声分布函数f4(x)。

4.3去除噪声处理。使用高斯分布分解的方法对f1(x)、f2(x)、f3(x)去除噪声，获得真空态、诱骗态、信号态本身真实的光强波动分布。将步骤4.1结果f1(x)、f2(x)、f3(x)减去噪声分布函数f4(x)即为降噪后的光强分布结果。

即：

4.3.1使用4.1中获得的曲线f1(x)减去4.2中获得的曲线f4(x)得到真空态光强分布模型g1(x)。即g1(x)＝f1(x)-f4(x)。

4.3.2使用4.1中获得的曲线f2(x)减去4.2中获得的曲线f4(x)得到诱骗态光强分布模型g2(x)。即g2(x)＝f2(x)-f4(x)。

4.3.3使用4.1中获得的曲线f3(x)减去4.2中获得的曲线f4(x)得到信号态光强分布模型g3(x)。即g3(x)＝f3(x)-f4(x)。

g1(x)、g2(x)、g3(x)即为降噪后的光强分布结果。

Claims (2)

1.一种量子密钥分发系统中源端光强波动测试方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，构建量子密钥传输光强波动测量系统：量子密钥传输光强波动测量系统由光电转换器与示波器组成，光电转换器与示波器、QKD系统中发送方的光强调制器相连；光电转换器与QKD系统中发送方的光强调制器相连后，QKD系统中的光强调制器和激光器构成的光脉冲制备模块成为量子密钥传输光强波动测量系统的被测对象；

第二步，统计量子密钥传输光强波动测量系统的噪声分布，得到噪声分布图像：在被测对象通电但不启动QKD协议运行的情况下，开启量子密钥传输光强波动测量系统中的光电转换器和示波器，利用示波器的统计功能，统计并积累量子密钥传输光强波动测量系统本身的噪声分布，并在示波器上保存噪声分布图像；

第三步，对真空态、诱骗态和信号态光强度波动区间进行测量，得到的真空态、诱骗态和信号态光强波动分布图像，方法:

3.1将光电转换器和示波器开启至工作状态；

3.2开启被测对象至偏振编码QKD系统运行的状态，使QKD系统随机产生真空态、诱骗态和信号态；

3.3光电转换器探测被测对象的光强调制器输出的光强，并将光脉冲信号转换成同比例的电信号，将电信号输出给示波器；

3.4运用示波器对电信号进行统计，并根据电信号获得光强波动分布图像，方法是：利用示波器的统计功能统计由光电转换器传输的电信号强度分布，光脉冲强度与电信号强度呈线性关系，满足公式(一)

光脉冲强度＝电信号强度/转化系数公式(一)

转化系数为光电转换器转化系数，依据公式(一)根据电信号强度计算出光脉冲强度，从而依据电信号强度分布得到光脉冲强度分布，得到光脉冲强度分布图像，也即光强波动分布图像；

第四步，光强分布数据处理，方法为：

4.1将真空态、诱骗态和信号态光强波动分布图像以柱状图形式呈现，其结果近似满足高斯分布；将光强波动分布图像做高斯函数拟合，得到光脉冲强度波动对应的强度分布函数f1(x)、f2(x)、f3(x),三者分别为真空态、诱骗态和信号态的光强分布函数，x为光子强度；

4.2对量子密钥传输光强波动测量系统本身的噪声分布图像以柱状图形式呈现，其结果近似满足高斯分布，将得到的噪声分布图像做高斯函数拟合，得到噪声分布函数f4(x)；

4.3使用高斯分布分解的方法对f1(x)、f2(x)、f3(x)去除噪声，获得真空态、诱骗态、信号态本身真实的光强波动分布，方法是：

4.3.1使用f1(x)减去f4(x)得到真空态光强分布模型g1(x)，即g1(x)＝f1(x)-f4(x)；

4.3.2使用f2(x)减去f4(x)得到诱骗态光强分布模型g2(x)，即g2(x)＝f2(x)-f4(x)；

4.3.3使用f3(x)减去f4(x)得到信号态光强分布模型g3(x)，即g3(x)＝f3(x)-f4(x)。

2.如权利要求1所述的一种量子密钥分发系统中源端光强波动测试方法，其特征在于第一步构建的量子密钥传输光强波动测量系统中的光电转换器与示波器均要求带宽在1GHz以上。

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