CN111526017B - 一种水下往返式连续变量量子密钥分发系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种水下往返式连续变量量子密钥分发系统及方法，包括光源发送端、量子信号编码端、量子信号接收端。光源发送端，用于产生原始信号光和本振光，将本振光留在光源发送端，并将原始信号光通过前向水信道发送至量子信号编码端；量子信号编码端，用于接收原始信号光，并将量子信息编码在原始信号光光场的相位分量上，然后将加载了量子信息的信号光通过反向水信道发送至量子信号接收端；量子信号接收端，与光源发送端共用一个端口，以留在光源发送端的本振光为参考，对接收到的量子信号光进行检测，并将检测结果通过前向水信道反馈给量子信号编码端。本发明避免本振光被攻击，保证通信过程中偏振漂移能够得到自动补偿，提高系统稳定性。

Description

一种水下往返式连续变量量子密钥分发系统及其方法
技术领域
本发明属于水信道量子通信技术领域，涉及一种水下往返式连续变量量子密钥分发系统及其方法。
背景技术
连续变量量子密钥分发是量子加密领域的前沿技术，它在一定程度上避免经典通信技术容易被窃听的风险，为建立无条件安全的量子通信网络打下了理论和实验基础。截至目前，无条件安全的连续变量量子密钥分发协议已经在光纤和自由空间大气信道上得到了应用，而基于水信道的连续变量量子密钥分发技术并不成熟。海洋占据了地球70％以上的面积，完善尚未得到发展的水下量子通信是建立全球无条件安全的量子通信网络不可避免的一个环节。
大部分的连续变量量子密钥分发协议都是利用高斯调制方案来对信号进行调制的，最终在合法用户之间实现共享的密钥分配。鉴于高斯调制具有传输距离短、对噪声的容忍性差等缺陷，作为替代选择的离散调制方案被提出以提高协议的性能。相较于高斯调制，离散调制的连续变量量子密钥分发系统具有更远的安全传输距离，且其对信道上可能存在的噪声具有更好的容忍性。与高斯调制相同，在离散调制的水下连续变量量子密钥分发过程中，信道上传输的除了量子信号光之外，还有经典的本振光，其作用是作为参考光用于量子态检测，而本振光在海水信道上传输时容易受到第三方的攻击，从而使得系统的安全性降低，因此如何避免窃听者对本振光的攻击尤为重要。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种水下往返式连续变量量子密钥分发系统及其方法，避免本振光被攻击，保证了通信过程中偏振漂移能够得到自动补偿，从而提高系统稳定性。
本发明所采用的技术方案是，一种水下往返式连续变量量子密钥分发系统，包括：
光源发送端：用于产生原始信号光和本振光，将本振光留在光源发送端，并将原始信号光通过前向水信道发送至量子信号编码端；
量子信号编码端：用于接收原始信号光，并将量子信息编码在原始信号光光场的相位分量上，然后将加载了量子信息的信号光通过反向水信道发送至量子信号接收端；
量子信号接收端：与光源发送端共用一个端口，以留在光源发送端的本振光为参考，对接收到的量子信号光进行检测，并将检测结果通过前向水信道反馈给量子信号编码端。
进一步的，所述光源发送端包括：
脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；
分束器，用于将脉冲相干光分离为原始信号光和本振光，并将本振光留在光源发送端内部的可调节延迟光纤线上，将原始信号光经过海水经典信道发送到量子信号编码端。
进一步的，所述量子信号编码端包括：
直流稳压源，用于输出直流脉冲信号并作用于电光强度调制器，通过控制直流脉冲信号的输出来控制电光强度调制器对信号光的振幅调制值的大小；
随机数生成器，用于产生随机数，以实现将量子信息编码在原始信号光光场上的目的；
电光强度调制器，用于将分束器分离出的原始信号光进行幅度调制，而后发送至电光相位调制器；
电光相位调制器，用于将电光强度调制器调制后的信号光进行相位调制，并将调制后的信号光发送至光学放大器；
光学放大器，对调制后的光信号进行放大；
法拉第旋转镜，将入射到镜面的信号光以90°的正交偏振方向进行反射；
经典计算机PC2，包含FPGA信号生成卡，用于控制随机数生成器，同时对密钥数据进行处理。
进一步的，所述量子信号接收端包括：
偏振耦合器，用于将接收到的量子信号光和本振光耦合成一路量子信号，经内部量子信道传输至平衡零差检测器；
平衡零差检测器，用于对传输来的量子信号光进行检测，并以电流变化的形式将检测结果输出；
跨阻放大器，用于将平衡零差检测器检测到的电流变化情况转换为电压变化情况并输出；
自动增益控制放大器，用于将接收到的电压信号进行放大；
低通滤波器，用于降低输入信号的热噪声和环境噪声；
解调器，用于将已调信号中的调制信号恢复出来，即将接收到的电压模拟信号转换为数字信号；
解码器，用于将接收到的数字信号转换为与初始输入信号相同类别的模拟信号。
经典计算机PC1，包括FPGA数据采集卡，用于采集接收到的密钥数据，同时对密钥数据进行处理。
进一步的，所述脉冲激光器采用NOPA Slim飞秒OPO激光器；所述分束器采用中心波长为520nm、带宽范围为±10nm、端口类型为1×2的可调分束比分束器。
进一步的，所述直流稳压源采用LP220DE12V可调直流稳压电源；所述电光强度调制器采用Photoline MX-LN-10；所述随机数生成器采用高速量子随机数发生器QRNG；所述电光相位调制器型号为MPZ-LN-10电光相位调制器；所述光学放大器采用NE5532DR低噪声放大器；所述法拉第旋转镜采用中心波长为520nm、带宽范围为±5nm的保偏法拉第旋转镜。
进一步的，所述偏振耦合器采用Thorlabs PBC980PM-FC偏振光束耦合器；所述零差探测器采用Thorlabs PDA435A平衡放大光电探测器；所述跨阻放大器采用ADA4530-1跨阻放大器；所述自动增益控制放大器采用VCA810模块AGC自动增益放大器；所述低通滤波器采用SXLP-25+低通滤波器；所述解调器采用OPD-4000相位解调器；所述解码器采用TC-910(H264)解码器。
本发明另一目的，还提供一种水下往返式连续变量量子密钥分发方法，按照以下步骤进行：
步骤一：光源发送端的脉冲激光器发射相干脉冲光，经过分束器后分离为1％的原始信号光和99％的本振光；本振光留在本地的光纤经典信道上传输，等待与调制后的信号光进行干涉，原始信号光则经过前向水信道传输至量子信息编码端的电光强度调制器；
步骤二：量子信息编码端的直流稳压源输出直流脉冲信号作用于电光强度调制器，通过控制直流脉冲信号的输出来控制电光强度调制器对信号光的振幅调制值的大小，电光强度调制器将调制后的信号光传输至电光相位调制器；
步骤三：随机数生成器以相同的概率生成{0,1,2...，N}中的随机数k，电光相位调制器利用随机数信息对接收到的信号光进行相位调制，进而制备出相干态|αk>＝|αei(2k+1)π/N>，其中α是与调制方差VA相关的正数，且满足VA＝2α2，i表示虚数单位，e为欧拉公式里的自然对数底。调制后的信号光再经过光学放大器进行信号增强，然后经过法拉第旋转镜入射到反向水信道中；
步骤四：经过反向水信道传输而来的信号光与留在光源发送端的本振光经过偏振耦合器合成一路量子信号，然后将量子信号传输至平衡零差探测器检测相位分量；
步骤五：平衡零差探测器将检测到的结果以电流的形式输出，经过跨阻放大器后将电流信号转换为电压信号，而后利用自动增益控制放大器，将接收到的电压信号进行放大；放大的电压信号经过一个低通滤波器滤除热噪声和环境噪声后，再依次经过解调器、解码器，将数字信号转换成模拟信号，从而在数据分析仪上直观地获取检测器检测到的初始密钥信息；
步骤六：经典计算机PC1提取初始密钥，对初始密钥经过纠错、剔除处理后，通过前向经典水信道将处理后的初始密钥信息传输至经典计算机PC2，再由经典计算机PC2进一步完成数据纠错，剔除错误信息，双方最终获得共享密钥。
进一步的，步骤六过程具体如下：经典计算机PC1将长度为lec的边信息通过前向经典水信道传输至经典计算机PC2，作为校验信息，同时用于验证纠错成功的小部分Hash值；而后经典计算机PC2利用校验信息对量子信号接收端的数据进行估计，得到相应的估计值；随后，经典计算机PC1计算一个长度为log2(1/∈cor)的Hash值发送给经典计算机PC2，并且经典计算机PC2将其与估计得到的Hash值进行比较，若两个Hash值相同，则双方获得共享密钥，若两个Hash值不同，则协议终止，本轮已产生的密钥将会被舍弃。
本发明的有益效果是：本发明利用往返式的结构设计来避免本振光被攻击，同时往返式的结构也保证了通信过程中偏振漂移能够得到自动补偿，从而提高系统稳定性。
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是本发明实施例的原理图。
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。
如图1所示，本发明实施例水下往返式连续变量量子密钥分发系统，包括：
光源发送端：用于产生原始信号光和本振光，将本振光留在光源发送端，并将原始信号光通过前向水信道(即海水经典信道)发送至量子信号编码端。
量子信号编码端：用于接收原始信号光，并将量子信息编码在原始信号光光场的相位分量上，然后将加载了量子信息的信号光(即量子信号光)通过反向水信道(即海水量子信道)发送至量子信号接收端。
量子信号接收端：与光源发送端共用一个端口，以留在光源发送端的本振光为参考，对接收到的量子信号光进行检测，并将检测结果通过前向水信道反馈给量子信号编码端。
所述光源发送端与量子信号接收端都位于Alice端，所述量子信号编码端位于Bob端。
所述光源发送端包括：
脉冲激光器，用于产生脉冲相干光。
分束器，用于将脉冲相干光分离为原始信号光和本振光，并将本振光留在光源发送端内部的可调节延迟光纤线上，将原始信号光经过海水经典信道发送到量子信号编码端。
所述量子信号编码端包括：
直流稳压源，用于输出直流脉冲信号并作用于电光强度调制器，通过控制直流脉冲信号的输出来控制电光强度调制器对信号光的振幅调制值的大小。
随机数生成器，用于产生随机数，以实现将量子信息编码在原始信号光光场上的目的。
电光强度调制器，用于将分束器分离出的原始信号光进行幅度调制，而后发送至电光相位调制器。
电光相位调制器，用于将电光强度调制器调制后的信号光进行相位调制，并将调制后的信号光发送至光学放大器。
光学放大器，对调制后的光信号进行放大。
法拉第旋转镜，将入射到镜面的信号光以90°的正交偏振方向进行反射。
经典计算机PC2，包含FPGA信号生成卡，用于控制随机数生成器，同时对密钥数据进行处理，包括纠错等。
所述量子信号接收端包括：
偏振耦合器，用于将接收到的量子信号光和本振光耦合成一路量子信号，经内部量子信道传输至平衡零差检测器。
平衡零差检测器，用于对传输来的量子信号光进行检测，并以电流变化的形式将检测结果输出。
跨阻放大器，用于将平衡零差检测器检测到的电流变化情况转换为电压变化情况并输出。
自动增益控制放大器，用于将接收到的电压信号进行放大。
低通滤波器，用于降低输入信号的热噪声和环境噪声。
解调器，用于将已调信号中的调制信号恢复出来，即将接收到的电压模拟信号转换为数字信号。
解码器，用于将接收到的数字信号转换为与初始输入信号相同类别的模拟信号，如输出成图片等。
经典计算机PC1，包括FPGA数据采集卡，用于采集接收到的密钥数据，同时对密钥数据进行处理，包括纠错等。
所述脉冲激光器采用NOPA Slim飞秒OPO激光器，波长可调谐，波段为470-700nm，脉宽<30fs，能量为7uJ。
所述分束器采用中心波长为520nm、带宽范围为±10nm、端口类型为1×2的可调分束比分束器，全带宽内分束比可调。
所述直流稳压源采用LP220DE12V可调直流稳压电源，额定电压为20V，额定电流为2A，输出电压从0到标称值之间连续可调。
所述电光强度调制器采用Photoline MX-LN-10，具有高消光比(>20dB)、低损耗(2.5dB)、高带宽(10GHz)的特点。
所述随机数生成器采用高速量子随机数发生器QRNG，产生最大50Mbit/s的真随机数。
所述电光相位调制器采用型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，具有高消光比(>20dB)、低损耗(2.5dB)、高带宽(10GHz)的特点，可以满足更高速率的量子密钥通信系统，尽量减少了光学器件带来的额外损耗。
所述光学放大器采用NE5532DR低噪声放大器，增益带宽10MHz，电压增益100dB。
所述法拉第旋转镜采用中心波长为520nm、带宽范围为±5nm的保偏法拉第旋转镜。
所述偏振耦合器采用Thorlabs PBC980PM-FC偏振光束耦合器，将两束正交偏振光耦合入一根光纤中，高消光比(>18dB)、低损耗(<2dB)。
所述零差探测器采用Thorlabs PDA435A平衡放大光电探测器，共模抑制比大于20dB,带宽可达350MHz。
所述跨阻放大器采用ADA4530-1跨阻放大器，内阻10GΩ。
所述自动增益控制放大器采用VCA810模块AGC自动增益放大器，增益调节范围±40dB。
所述低通滤波器采用SXLP-25+低通滤波器，频率为DC-25MHz，阻抗为50Ω。
所述解调器采用OPD-4000相位解调器，分辨率为1Hz，分辨率为6u弧度，范围为25000±12861弧度，自噪声为3puradirt-Hz，失真度<0.2％的典型值，最大转换速率为π乘以调制频率。
所述解码器采用TC-910(H264)解码器，视频解码，分辨率最大支持1080P@60，路数1到4路。
所述经典计算机中的FPGA信号生成和数据采集卡采用Xilinx VC707，采样率最高可达5GSa/s。
本发明实施例水下往返式连续变量量子密钥分发方法，按照以下步骤进行：
步骤一：光源发送端的脉冲激光器发射相干脉冲光，经过分束器后分离为1％的原始信号光和99％的本振光；本振光留在本地的光纤经典信道上传输，等待与调制后的信号光进行干涉，原始信号光则经过前向水信道传输至量子信息编码端的电光强度调制器。
步骤二：量子信息编码端的直流稳压源输出直流脉冲信号作用于电光强度调制器，通过控制直流脉冲信号的输出来控制电光强度调制器对信号光的振幅调制值的大小，电光强度调制器将调制后的信号光传输至电光相位调制器。
步骤三：随机数生成器以相同的概率生成{0,1,2...，N}中的随机数k，电光相位调制器利用随机数信息对接收到的信号光进行相位调制，进而制备出相干态|αk>＝|αei(2k +1)π/N>，其中α是与调制方差VA相关的正数，且满足VA＝2α2，i表示虚数单位，e为欧拉公式里的自然对数底。调制后的信号光再经过光学放大器进行信号增强，然后经过法拉第旋转镜入射到反向水信道中。
步骤四：经过反向水信道传输而来的信号光与留在光源发送端的本振光经过偏振耦合器合成一路量子信号，然后将量子信号传输至平衡零差探测器检测相位分量。
步骤五：平衡零差探测器将检测到的结果以电流的形式输出，经过跨阻放大器后将电流信号转换为电压信号，而后利用自动增益控制放大器，将接收到的电压信号进行放大；放大的电压信号经过一个低通滤波器滤除热噪声和环境噪声后，再依次经过解调器、解码器，将数字信号转换成模拟信号，从而在数据分析仪上直观地获取检测器检测到的初始密钥信息。
步骤六：经典计算机PC1提取初始密钥，对初始密钥经过纠错、剔除处理后，通过前向经典水信道将处理后的初始密钥信息传输至经典计算机PC2，再由经典计算机PC2进一步完成数据纠错，剔除错误信息，双方最终获得共享密钥。
进一步的，步骤六过程具体如下：经典计算机PC1将长度为lec的边信息通过前向经典水信道传输至经典计算机PC2，作为校验信息，同时用于验证纠错成功的小部分Hash值；而后经典计算机PC2利用校验信息对量子信号接收端的数据进行估计，得到相应的估计值；随后，经典计算机PC1计算一个长度为log2(1/∈cor)(其中∈cor为验证纠错失败的概率)的Hash值发送给经典计算机PC2，并且经典计算机PC2将其与估计得到的Hash值进行比较，若两个Hash值相同，则双方获得共享密钥，若两个Hash值不同，则协议终止，本轮已产生的密钥将会被舍弃。
本系统光源位于Alice端，经99:1分束器后原始光束被分为原始信号光和本振光，原始信号光经海水经典信道传输至Bob端，并在Bob端经过调制后，又被法拉第旋转镜反射回反向水信道并到达Alice端被检测，信号光的传播经过了一个往返式过程。本系统往返式结构设计，本振光自Alice端产生，且始终保留在该端，不需要经过信道传播，因而可以避免被窃听者攻击。本系统原始信号光经前向海水经典信道传输至Bob端，在此过程中由于海水成分分布不均匀及环境变化等缘故，原始相干光的偏振态在海水信道中传输时会发生偏移，其在Bob端被调制后入射到旋转角为45°的法拉第旋转镜上，而后被反射回海水量子信道，在海水量子信道上传输时，反射光会经历一个与入射光所经历的互补的双折射，由此使得反射光相干态的偏振状况正交于入射光相干态的偏振状况，因而在反向海水量子信道上传输的过程可以自动补偿在前向海水经典信道上传输过程中所发生的偏振漂移。
本系统选用海水信道，其特点主要体现在：光在海水中的光学传输特性会受到海水对光的吸收和散射作用的影响，而海水对光的吸收和散射系数又与波长和水质等诸多因素有关，因此相较于光纤信道，海水信道更为复杂。但鉴于海水占据地球大部分的面积，研究海水下安全通信方式势在必行。本发明实施例利用处于海水“蓝绿窗口”范围内的波长为520nm的蓝绿光作为光源，以纯净的海水作为量子信道。
量子信号光在海水信道中传输，受到海水对信号光的吸收和散射作用，本实施例以纯净的海水为例，其对光的吸收系数为0.0405m-1，散射系数为0.0025m-1。鉴于光在海水中传输的距离相较于在光纤和自由空间大气中低了几个数量级，只有百米级的传输距离，因此我们可以假设该海水信道为线性信道，进而分析其透光率及信道噪声。
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 (1)

1.一种水下往返式连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤一：光源发送端的脉冲激光器发射相干脉冲光，经过分束器后分离为1％的原始信号光和99％的本振光；本振光留在本地的光纤经典信道上传输，等待与调制后的信号光进行干涉，原始信号光则经过前向水信道传输至量子信息编码端的电光强度调制器；
步骤二：量子信息编码端的直流稳压源输出直流脉冲信号作用于电光强度调制器，通过控制直流脉冲信号的输出来控制电光强度调制器对信号光的振幅调制值的大小，电光强度调制器将调制后的信号光传输至电光相位调制器；
步骤三：随机数生成器以相同的概率生成{0,1,2...，N}中的随机数k，电光相位调制器利用随机数信息对接收到的信号光进行相位调制，进而制备出相干态|αk>＝|αei(2k+1)π/N>，其中α是与调制方差VA相关的正数，且满足VA＝2α2，i表示虚数单位，e为欧拉公式里的自然对数底，调制后的信号光再经过光学放大器进行信号增强，然后经过法拉第旋转镜入射到反向水信道中；
步骤四：经过反向水信道传输而来的量子信号光与留在光源发送端的本振光经过偏振耦合器合成一路量子信号，然后将量子信号传输至平衡零差探测器检测相位分量；
步骤五：平衡零差探测器将检测到的结果以电流的形式输出，经过跨阻放大器后将电流信号转换为电压信号，而后利用自动增益控制放大器，将接收到的电压信号进行放大；放大的电压信号经过一个低通滤波器滤除热噪声和环境噪声后，再依次经过解调器、解码器，将数字信号转换成模拟信号，从而在数据分析仪上直观地获取检测器检测到的初始密钥信息；
步骤六：经典计算机PC1提取初始密钥，对初始密钥经过纠错、剔除处理后，通过前向经典水信道将处理后的初始密钥信息传输至经典计算机PC2，再由经典计算机PC2进一步完成数据纠错，剔除错误信息，双方最终获得共享密钥；
步骤六过程具体如下：经典计算机PC1将长度为lec的边信息通过前向经典水信道传输至经典计算机PC2，作为校验信息，同时用于验证纠错成功的小部分Hash值；而后经典计算机PC2利用校验信息对量子信号接收端的数据进行估计，得到相应的估计值；随后，经典计算机PC1计算一个长度为log2(1/∈cor)的Hash值发送给经典计算机PC2，∈cor为验证纠错失败的概率，并且经典计算机PC2将其与估计得到的Hash值进行比较，若两个Hash值相同，则双方获得共享密钥，若两个Hash值不同，则协议终止，本轮已产生的密钥将会被舍弃。
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