CN111602368A - 用于传输和接收量子密钥的发射器和接收器 - Google Patents

Abstract

发射器提供用于通过网络传输量子密钥的光信号。发射器包括第一生成器，用于生成量子信号，量子信号包括帧序列。发射器包括第二生成器，用于生成导频信号。导频信号包括与帧序列同步的签名序列。发射器包括光调制器，用于基于量子信号和导频信号对光载波进行调制来生成光信号。提出了一种相应的接收器，用于接收光信号和提取量子密钥。

Description

用于传输和接收量子密钥的发射器和接收器

技术领域

本发明大体上涉及通信网络技术领域。特别地，本发明涉及量子密钥分发。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution，QKD)基于量子载波，也称为量子信号，通常为单光子或强衰减光脉冲，用于共享秘密电子密钥。这种光脉冲序列，即量子信号序列，通过量子信道从发射器传输到接收器，其中每个光脉冲对一个秘钥位进行编码。光的量子特性，特别是海森堡不确定性原理，确保了读取这些秘钥位时会干扰光子的量子状态。然后，利用附加经典信道上的公共通信来估计潜在窃听者可能已获取的最大信息量，并从原始数据中提取秘密密钥。

以往已提出并实现了几种实用的量子密钥分发方案，包括离散变量和连续变量(continuous-variable，CV)量子密钥分发(QKD)。CV QKD系统利用连续量子变量，如电场幅度，作为取代传统光子计数QKD技术的潜在有效方法。从实用的角度来看，CV方法具有潜在的优势，因为它与标准光通信技术兼容。

目前的CV QKD系统利用从发射器传输到接收器的参考脉冲来估计信道损伤，并依靠离散脉冲对量子信号进行编码。例如，Sebastian Kleis、Reinhold Herschel和Christian G.Schaffer在OSA的CLEO 2015年刊上发表的文章《利用多进制相移键控的连续变量量子密钥分发的简单而有效的检测方案》(“Simple and Efficient DetectionScheme for Continuous Variable Quantum Key Distribution with m-ary Phase-Shift-Keying”)中，提出了通过传输特殊参考信号(例如其他频率上的强导频音)来补偿信道损伤。Bing Qi、Pavel Lougovski、Raphael Pooser、Warren Grice和Miljko Bobrek在Phys.Rev.X的2015年刊(刊号5,041009)上发表的文章《基于相干检测在连续变量量子密钥分发中生成本地振荡器》(“Generating the local oscillator locally in continuous-variable quantum key distribution based on coherent detection”)，D.Huang,P.Huang,D.Lin,C.Wang,and G.Zeng在Optics Letters的2015年刊(刊号40,3695)上发表的文章《无需发送本地振荡器的高速连续变量量子密钥分发》(“High-speed continuous-variable quantum key distribution without sending a local oscillator”)，以及Daniel B.S.Soh、Constantin Brif、Patrick J.Coles、Norbert Lutkenhaus、RyanM.Camacho、Junji Urayama和Mohan Sarovar在Phys.Rev.X的2015年刊(刊号5,041010)上发表的文章《自参考连续变量量子密钥分发协议》(“Self-referenced continuous-variable quantum key distribution protocol”)中，建议根据与量子信号在不同时间传输的参考脉冲来补偿信道损伤。

在QKD以外的已知通信系统中，数据的同步信息通常插入到数据流中。同步信息可以是前导或其他用于定义帧的确切起点的唯一数据签名。在QKD系统中，量子信号的信号电平非常低，因此不可能通过量子信号中长度为一个符号或几个符号的前导来指示帧的起点，而是需要一个非常长的前导，这将大大降低可用于密钥分发的数据速率。

在已知的QKD系统中，提供了单独的帧或触发信道来代替这种前导。然而，利用这种帧或触发通道的缺点在于帧或触发通道需要单独处理。

发明内容

在认识到上述缺点和问题之后，本发明旨在改进现有技术状态。具体而言，本发明的目的在于提供一种用于传输量子密钥的发射器、一种用于接收量子密钥的接收器以及一种用于传输和接收量子密钥的方法。

此目的可以通过独立权利要求的特征来实现。根据从属权利要求、说明书和附图，本发明的其他实施例是显而易见的。

根据第一方面，本发明涉及一种发射器，用于提供传输量子密钥的光信号。所述发射器包括光电电路，用于生成包括帧序列的量子信号，以及生成包括签名序列的导频信号，使得所述签名序列与所述帧序列同步。所述光电电路还用于基于所述量子信号和所述导频信号对光载波进行调制来生成所述光信号。

由此，所述发射器提供所述用于量子密钥分发的光信号，所述光信号包括调制到所述导频信号上的同步信息。利用所述导频信号进行同步的优势在于不需要额外的帧或触发信道。这反过来又具有进一步的优势，即减少了恢复所述同步信息的处理需求。

根据所述第一方面的一种实现方式，所述光电电路用于生成第一周期信号和第二周期信号。所述第一周期信号和所述第二周期信号相互具有恒定相移。所述光电电路还用于基于所述第一周期信号生成所述量子信号，以及基于所述第二周期信号生成所述导频信号。

由此，实现了所述导频信号和所述量子信号的同步。因此，接收器将能够正确解释所述量子信号并确定所述量子密钥，所述量子密钥按所述帧序列组织。所述第一周期信号和所述第二周期信号可以是相同的信号，例如，它们可以由同一个周期信号生成。

根据所述第一方面的一种实现方式，所述光电电路用于：利用所述量子信号调制第一载波来生成调制后量子载波，以及利用所述签名序列调制第二载波来生成所述导频信号。所述第二载波在频率和/或时间上与所述第一载波相分离。所述光电电路还用于：利用所述调制后量子载波和所述调制后导频载波来调制所述光载波。

由此，所述导频信号和所述调制后量子载波使用不同的频率和/或出现在不同的时间。因此，可以避免所述导频信号和所述调制后量子载波之间的干扰。

根据所述第一方面的一种实现方式，所述第二载波是单频音信号，所述签名序列利用幅度调制、频率调制或相位调制中的至少一种调制到所述第二载波上。

这些调制类型中的每种类型在产生的带宽以及调制和解调所需的努力方面都具有特定优势。

根据所述第一方面的一种实现方式，所述签名序列是周期性的。

由此，增加了信号结构中的周期性。这样做的优势在于简化了签名的生成和检测。

根据所述第一方面的一种实现方式，所述签名序列中的签名与所述帧序列中的帧之间以1对N的关系相关，其中N是自然数。

N可以为1或大于1。在N为1的实现方式中，每个帧将有一个签名。这将使得接收器能够特别可靠和准确地识别每个帧的起点。在N大于1的实现方式中，降低了签名信息与帧之间的比值。这样做的优势在于减少了签名引起的导频信号失真。

根据所述第一方面的一种实现方式，所述签名序列的每个元素是一个脉冲。

由此，更详细地定义了签名。脉冲的优势在于它易于生成和检测。

根据所述第一方面的一种实现方式，所述发射器包括衰减器，用于衰减调制后光载波。

由此，减少了所述光信号的能量。这样做的优势在于可以利用所述量子信号的量子特性。

根据第二方面，本发明涉及一种用于提供传输量子密钥的光信号的方法。所述方法包括生成包括帧序列的量子信号。所述方法还包括生成导频信号。所述导频信号包括与所述帧序列同步的签名序列。所述方法还包括基于所述导频信号和所述量子信号对光载波进行调制以提供所述光信号。

因此，所述用于量子密钥分发的光信号将包括携带同步信息的导频信道。利用所述导频信道进行同步的优势在于不需要额外的帧或触发信道。这反过来又具有进一步的优势，即减少了处理需求。

根据所述第二方面的一种实现方式，生成第一周期信号和第二周期信号，所述第一周期信号和所述第二周期信号相互具有恒定相移。所述量子信号基于所述第一周期信号生成，所述导频信号基于所述第二周期信号生成。

由此，实现了所述导频信号和所述量子信号的同步。这样做的优势在于，接收器将能够基于所述导频信号确定按所述帧序列组织的所述量子密钥。

根据所述第二方面的一种实现方式，利用所述量子信号调制第一载波来生成调制后量子载波。利用所述签名序列调制第二载波来生成所述导频信号。所述第二载波在频率和/或时间上与所述第一载波相分离。利用所述调制后量子载波和所述调制后导频载波来调制所述光载波。

由此，所述导频信号和所述量子信号使用不同的频率和/或出现在不同的时间。这样做的优势在于避免了所述导频信号和所述量子信号之间的干扰。

根据所述第二方面的一种实现方式，所述第二载波是单频音信号，所述签名序列利用幅度调制、频率调制或相位调制中的至少一种调制到所述第二载波上。

这些调制类型中的每种类型在产生的带宽以及调制和解调所需的努力方面都具有优势。

根据所述第二方面的一种实现方式，所述签名序列是周期性的。

这样做的优势在于简化了签名的生成和检测。

根据所述第二方面的一种实现方式，所述签名序列中的签名与所述帧序列中的帧之间以1对N的关系相关，其中N是自然数。

N可以为1或大于1。在N为1的实现方式中，每个帧将有一个签名。这将使得接收器能够特别可靠和准确地识别每个帧的起点。在N大于1的实现方式中，能够降低签名信息与帧之间的比值。这样做的优势在于减少了签名引起的导频信号失真。

根据所述第二方面的一种实现方式，所述签名序列的每个元素是一个脉冲。

由此，更详细地定义了签名。脉冲的优势在于它易于生成和检测。

根据所述第二方面的一种实现方式，所述光信号进行了衰减。

由此，减少了所述光信号的能量。这样做的优势在于可以利用所述量子信号的量子特性。

根据第三方面，本发明涉及一种用于接收光信号携带的量子密钥的接收器。所述光信号包括量子信号和导频信号。所述量子信号包括帧序列。所述导频信号包括与所述帧序列同步的签名序列。所述接收器包括光电电路，用于：从所述光信号中提取所述量子信号和所述导频信号；从所述导频信号中提取所述签名序列；基于所述签名序列识别所述量子信号的帧；根据所述帧序列解释所述量子信号来从所述量子信号中提取所述量子密钥。

因此，所述接收器可以基于所述导频信号中的签名序列从所述接收到的光信号中推导出所述量子密钥。利用所述导频信号的优势在于不需要额外的帧或触发信道。这反过来又具有进一步的优势，即减少了处理需求。

根据所述第三方面的一种实现方式，所述光电电路包括相干光探测器，用于基于本地光载波将所述光信号转换为电信号。

由此，所述光信号中包含的信息下变频为电信号以进行进一步处理。这样做的优势在于电路可以用于进行进一步处理。

根据所述第三方面的一种实现方式，所述光电电路包括滤波器，用于从所述电信号中提取所述导频信号。

由此，所述导频信号与所述电信号相分离，以进行进一步处理。这样做的优势在于，在提取所述签名序列时，减少来自所述导频信号以外的信号的影响。

根据所述第三方面的一种实现方式，所述光电电路包括切片器，用于比较所述调制后导频载波的幅度与阈值，以从所述导频信号中获取所述签名序列。

由此，生成了具有调幅签名的导频信号。这种实现方式的优势在于可以通过简单的手段来实现。

根据所述第三方面的一种实现方式，所述光电电路包括第一单稳态多谐发生器和第二单稳态多谐发生器，用于从所述导频信号中获取所述签名序列。

由此，生成了具有调频签名的导频信号。这种实现方式的优势在于可以通过简单的手段来实现。

根据第四方面，本发明涉及一种用于接收量子密钥的方法。所述方法包括：接收光信号，其中所述光信号包括量子信号和导频信号，所述量子信号包括帧序列，所述导频信号包括与所述帧序列同步的签名序列。所述方法还包括：从所述光信号中提取所述量子信号；从所述光信号中提取所述导频信号；从所述导频信号中提取所述签名序列；基于所述签名序列识别所述量子信号的帧；根据所述帧序列解释所述量子信号来从所述量子信号中提取所述量子密钥(S795)。

由此，可以基于所述导频信号中的签名序列从所述接收到的光信号中推导出所述量子密钥。利用所述导频信号的优势在于不需要额外的帧或触发信道。这反过来又具有进一步的优势，即减少了处理需求。

根据所述第四方面的一种实现方式，所述光信号基于本地光载波转换为电信号。

由此，所述光信号中包含的信息下变频为电信号以进行进一步处理。这样做的优势在于可以将电路利用起来。

根据所述第四方面的一种实现方式，从所述电信号中提取所述导频信号。

由此，所述导频信号与所述电信号相分离，以进行进一步处理。这样做的优势在于，在提取所述签名序列时，减少来自所述导频信号以外的信号的影响。

根据所述第四方面的一种实现方式，提取所述签名序列包括：比较所述导频信号的幅度与阈值，以从所述导频信号中获取所述签名序列。

这种实现方式的优势在于可以通过简单的手段来实现。

根据所述第四方面的一种实现方式，提取所述签名序列还包括：确定所述调制后导频载波的过零点之间的时间。

由此，给出了具有调频签名的导频信号的示例性实现方式。这种实现方式的优势在于可以通过简单的手段来实现。

根据第五方面，本发明涉及包含程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算设备上运行时，用于执行根据第二方面或第四方面所述的方法。

由此，所述方法可以通过自动和可重复的方式执行。有利地，所述计算机程序可以分别在根据第二方面所述的发射机或根据第四方面所述的接收器处执行。

更具体地，应注意的是，上述装置，即所述发射器和所述接收器，可以分别实现为或包括分立硬件电路(例如，具有分立硬件组件、集成芯片或芯片模块布置)，或者由存储在存储器中的软件例程或程序控制的信号处理设备或芯片，所述软件例程或程序写在计算机可读介质上或从网络(如因特网)下载。

还应理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或上述实施例与相应独立权利要求的任意组合。

本发明的这些和其它方面结合下文描述的实施例是显而易见的，并且将结合下文描述的实施例进行说明。

附图说明

结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现形式，其中：

图1示出了根据本发明实施例的发射器的框图。

图2示出了根据本发明实施例的签名序列和帧序列。

图3示出了根据本发明另一实施例的签名序列和帧序列。

图4示出了根据本发明实施例的用于生成导频信号的生成器的框图。

图5示出了根据本发明另一实施例的用于生成导频信号的生成器的框图。

图6示出了由图5的生成器生成的示例性导频信号波形。

图7示出了根据本发明实施例的接收器的框图。

图8示出了根据本发明实施例的解码器的框图。

图9示出了根据本发明实施例的解码器波形。

图10示出了根据本发明实施例的用于解调量子信号的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据一实施例的发射器100的框图。

发射器100包括第一生成器120，用于生成量子信号S120。量子信号S120包括按帧序列组织的量子密钥。信号的一个帧是一个时隙中的信号。因此，信号可以视为帧序列，或视为包括帧序列。时隙本身也可以称为时间帧或仅称为帧。根据上下文，本公开将清楚地表明“帧”一词是指时间帧，还是指时间帧中的信号。帧的长度可以相同，即每个帧可以具有相同的持续时间。在一种实现方式中，每个帧包括一个或多个符号的序列。例如，每个帧可以包括相同数量的符号。

发射器100包括第二生成器150、160，用于生成导频信号S160。导频信号S160向接收器提供频率信息、相位信息和帧同步信息。根据一实施例，导频信号S160是利用数字比特流S150表示的签名序列调制得到的第二载波信号S170。调制方式可以是频率调制、相位调制和/或幅度调制。第二载波信号S170可以是例如第二本地振荡器170生成的纯单频音信号。此外，签名引起的导频音干扰应该很小。

发射器100包括同步单元110。在一实施例中，同步单元110耦合到第一生成器120和第二生成器150、160。在一实施例中，同步单元110生成第一周期信号S110和第二周期信号S115，第一周期信号S110和第二周期信号S115可以相互具有恒定相移。第一周期信号S110用于第一生成器120同步量子信号S120的帧序列的生成。第二周期信号S115用于第二生成器150、160同步导频信号S160的签名序列的生成。因此，签名序列与帧序列是同步的。因此，签名序列提供有关帧序列的时间信息。时间信息可以是帧的起点、帧的终点或帧内的任何固定位置。在一实施例中，第一周期信号S110和第二周期信号S115彼此同相，即彼此具有零相移。

发射器包括第一调制器130，用于利用量子信号S120调制第一载波信号S140来生成调制后量子载波信号S130。例如，第一载波信号S140可以由第一本地振荡器140生成。

在一实施例中，第一载波信号S140和第二载波信号S170的频率不同。因此，调制后量子载波S130和导频信号S160在频率上相分离。在另一实施例中，调制后量子载波S130和导频信号S160可以在时间上相分离，即在给定时间仅存在调制后量子载波S130和调制后导频信号S160中的一个。频率和/或时间上相分离的优势在于调制后量子载波S130和导频信号S160互不干扰。

发射器100还包括光调制器190，用于利用调制后量子载波S130和导频信号S160对光载波S180进行调制来生成光信号S190。光载波S180由光源180(例如激光器)生成。在一实施例中，光调制器190是同相正交(I/Q)调制器。因此，光信号S190同时包括导频信号S160和量子信号S120，其中导频信号S160包括签名序列，量子信号S120包括帧序列。

发射器100还包括提供光输出信号S192的光衰减器192。光衰减器减少了光调制器190生成的光信号S190的能量，使得调制后量子载波S130为QKD提供所需的量子特性。

在一实施例中，第二生成器150、160可以生成导频信号S160作为调幅信号。例如，调制后量子载波可以是相位调制得到的。

图2示出了根据一实施例的包括周期签名序列240的导频信号和组织为周期帧序列210的量子信号之间的时间关系。签名序列240包括签名250a–250f(在图中，这些以实心填充块表示)。签名250a–250f与帧220a–220f之间为一一对应的关系(即一对一的关系)。更具体地，签名250a与帧220a相关联，签名250b与帧220b相关联，以此类推。每个帧可以基本上与其相关联的签名同步。也就是说，所述帧与其对应的签名之间的任何正延迟或负延迟可以非常短，例如小于所述帧的持续时间。在图2的示例中，每个签名(例如签名220c)与其相关联的帧(例如250c)的起点同步。在其他实施例中，每个签名可以与对应帧的终点同步，或者与由对应帧定义的任何其他时间点同步。

图3示出了根据另一实施例的包括签名序列340的导频信号和组织为帧序列310的量子信号之间的时间关系。在本实施例中，签名序列340中的签名与帧序列310中的帧之间以1对N的关系相关，其中N是自然数。因此，每个签名指示一组N个帧320a–320c的起点。N例如可以为1、2、3、4、5或6。如果N＝1，则每组由一个帧组成，此时不需要区分组和帧。针对一组N个帧320a–320c使用一个签名的优势在于减少了签名引起的导频信号失真。与图2类似，实心填充块表示签名350a、350b和350c。如图3所示，特定签名与一组N个帧320a–320c的起点同步。在其他实施例中，签名可以与一组N个帧320a–320c的终点或一组N个帧320a–320c中的任意特定位置同步。

图4示出了根据一实施例的用于生成导频信号S420的生成器400的框图。生成器400对应图1中的第二生成器150、160。生成器400包括数字比特流生成器410，用于提供表示签名序列的数字比特流S410。比特流生成器410由控制信号S402控制。控制信号S402可以是来自同步单元110的第二周期信号S115。控制信号S402还可以用于从多个签名中选择签名序列中使用的特定签名。优选地，签名是可编程的。利用可编程签名的优势在于可以更灵活地使用发射器100，例如，在不同的系统中使用。此外，签名可以提供格式指示或操作状态等附加信息。生成器400还包括数模转换器420，用于将数字导频信号比特流S410转换为导频信号S420。例如，导频信号S420可以是利用签名序列调制(例如相位调制或频率调制)得到的纯单频载波。

图5示出了根据另一实施例的用于生成导频信号S520的生成器500的框图。生成器400对应图1中的第二生成器150、160。生成器500包括比特流生成器510，用于提供表示签名序列的数字比特流S510。比特流生成器510由控制信号S502控制。控制信号S502的控制信号可以是来自同步单元110的第二周期信号S115。与图4类似，控制信号S502还可以用于从多个签名中选择特定签名。优选地，签名是可编程的。利用可编程签名的优势在于可以更灵活地使用发射器，例如，在不同的系统中使用。此外，签名可以提供格式指示或操作状态等附加信息。生成器500还包括幅度调制器520，用于根据数字比特流S510对单频音信号S505的幅度进行调制。导频信号S520例如可以是利用签名序列进行幅度调制得到的纯单频载波S505。

图6示出了由生成器500生成的示例性导频信号波形600。波形600的幅度基于数字比特流S510进行调整。数字比特流S510可以由包括0和1的数值序列组成。或者，数值可以包括–1和+1。每个数值与波形的幅度相关联。在一实施例中，数值+1可以与3V的幅度(峰值到峰值)相关联，数值–1可以与–1V的幅度(峰值到峰值)相关联。因此，波形600表示序列+1–1+1–1+1–1+1–1。

图7示出了根据一实施例的接收器700的框图。接收器700接收光信号S702。例如，光信号S702可以由图1的发射器100生成。光信号S702可以包括量子信号，量子信号包括按帧序列组织的量子密钥。光信号S702还可以包括导频信号，导频信号提供频率信息、相位信息和帧同步信息。接收器700可以利用该信息来校正信道损伤。导频信号还包括与帧序列同步的签名序列。因此，导频信号可以有利地用于获取关于帧序列的时间信息。

接收器700包括光电电路710、730、780、790，用于从光信号中提取量子信号S790。光信号S702通过相干检测器710利用本地光载波S720转换为电信号S720。本地光载波S720由本地光源720生成。本地光源720可以是激光器。所得到的电信号S710可以是频率在例如1GHz范围内的射频信号。或者，可以使用其他频率范围。电信号S710由分路器730划分为第一电信号部分S730a和第二电信号部分S730b。第一电信号部分730a和第二电信号部分730b同时包括量子载波信号和导频信号。第一电信号部分S730a和第二电信号部分S730b可以具有相同的能量。

第一电信号部分S730a通过模数转换器780转换为数字数据流S780。数字数据流S780由数字信号处理器790进行数字处理以提取量子信号S790。

接收器700还包括光电电路710、730、740，用于从光信号S702中提取导频信号S740。如上所述，通过相干检测器710将光信号S702转换为电信号S710后，第二电信号部分S730b通过带通滤波器740进行滤波。带通滤波信号S740包括导频信号但不包括量子载波。解码器750从带通滤波信号S740中提取签名序列，并生成帧触发信号S750。帧触发信号S750与量子信号S790的帧序列同步。

接收器700还包括成帧器795，其接收量子信号S790和帧触发信号S750，并根据帧序列解释量子信号来从量子信号中提取量子密钥S795。解释量子信号S790意味着从量子信号S790中提取信息(例如比特或符号)。

在一实施例中，解码器750可以是用于导频信号的解码器，导频信号包括利用签名序列进行幅度调制得到的单频载波信号。解码器750包括切片器760和合成器770。切片器760通过将阈值应用于信号的包络从带通滤波信号中提取签名序列。合成器770利用所得到的信号来生成对应于帧触发信号S750的高质量时钟信号。合成器770可以是锁相环(PLL)。

图8示出了根据接收器700的一实施例的解码器800的框图。解码器800用于对导频信号进行解码，导频信号是利用签名序列进行频率调制得到的单频载波信号。解码器800包括滤波器810，其针对签名序列进行适配(例如，匹配或优化)。滤波器810在本文中称为优化滤波器或匹配滤波器。本实施例的滤波信号的示例性波形S1在图9中示出。

比较器820检测信号S1的过零点并生成方波信号S2。信号S2的正边缘触发可再触发的单稳态多谐发生器830。如果两个过零点之间的时间超过保持时间，可再触发的单稳态多谐发生器830将被复位，并且单稳态多谐发生器840将被触发以根据单稳态多谐发生器840的保持时间生成一定长度的帧触发信号S4。帧触发信号S5对应于接收器700的帧触发信号S750。

图10示出了根据一实施例的用于解调量子信号的流程图。流程图可以由数字信号处理器790执行。解调量子信号包括前端校正步骤S1010，前端校正针对模数转换器780、分离器730和相干检测器710的缺陷进行校正。在步骤S1020中，基于例如导频信号估计载波频率偏移。在步骤S1030中，利用散粒噪声单元执行归一化。在步骤S1040中，检查频率状态。如果频率状态为“未锁定”，则在步骤S1050中丢弃数据。如果频率状态为“锁定”，则在步骤S1060中估计并补偿相位噪声。

在一实施例中，成帧器795包含在数字信号处理器790中。在该实施例中，来自解码器750的帧触发信号S750用于帧同步步骤S1070。在步骤1080中，对所得到的信号进行下采样和相位旋转以获得量子密钥S795。

在另一实施例中，步骤S1070和S1080可以由成帧器S795执行。

尽管本发明已在附图和前述说明中进行了详细说明和描述，但此类说明和描述应视为说明性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过阅读本公开，其他修改对本领域技术人员将是显而易见的。这种修改可以涉及本领域中已知的其他特征，并且可以使用这些特征来替代或补充本文中所描述的特征。

在此结合各种实施例描述了本发明。但本领域技术人员通过实践本发明，研究附图、本发明以及所附的权利要求，能够理解并获得公开实施例的其他变体。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，术语“一”或者“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项目的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。计算机程序可存储或分发到合适的介质上，例如与其他硬件一起或者作为其他硬件的部分提供的光存储介质或者固态介质，还可以以其他形式例如通过因特网或者其他有线或无线电信系统分发。

尽管已经参考本发明的特定特征和实施例描述了本发明，但是明显在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以制定本发明的各种修改和组合。说明书和附图仅被视为所附权利要求书所定义的本发明的说明并且考虑落于本说明书的范围内的任何和所有修改、变体、组合或均等物。

Claims (16)

1.一种发射器(100)，其特征在于，用于提供传输量子密钥的光信号(S192)，所述发射器包括光电电路(120、150、160、190)，用于：

生成包括帧序列(210、310)的量子信号(S120)；

生成包括与所述帧序列(210、310)同步的签名序列(250a–250f、350a–350c)的导频信号(S160)；

基于所述量子信号(S120)和所述导频信号(S160)对光载波(S180)进行调制来生成所述光信号(S192)。

2.根据权利要求1所述的发射器(100)，其特征在于，所述光电电路用于：

生成第一周期信号(S110)和第二周期信号(S115)，其中所述第一周期信号和所述第二周期信号相互具有恒定相移；

基于所述第一周期信号生成所述量子信号(120)；

基于所述第二周期信号生成所述导频信号(160)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的发射器(100)，其特征在于，所述光电电路用于：

利用所述量子信号(S120)调制第一载波(S140)来生成调制后量子载波(S130)；

利用所述签名序列调制第二载波(S170)来生成所述导频信号(S160)，其中所述第二载波(S170)在频率和/或时间上与所述第一载波(S140)相分离；

利用所述调制后量子载波(S130)和所述导频信号(S160)来调制所述光载波(S180)。

4.根据权利要求3所述的发射器(100)，其特征在于，所述第二载波信号(S170)是单频音信号，所述签名序列利用幅度调制、频率调制或相位调制中的至少一种调制到所述第二载波(S170)上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的发射器(100)，其特征在于，所述签名序列(250a–250f、350a–350c)是周期性的。

6.根据权利要求1所述的发射器(100)，其特征在于，所述签名序列(250a–250f、350a–350c)中的签名与所述帧序列(210、310)中的帧之间以1对N的关系相关，其中N是自然数。

7.根据前述权利要求中任一项所述的发射器(100)，其特征在于，所述签名序列(350a–350c)的每个元素是一个脉冲。

8.根据前述权利要求中任一项所述的发射器(100)，其特征在于，还包括衰减器(192)，用于衰减调制后光载波(S190)。

9.一种用于提供传输量子密钥的光信号(S192)的方法，其特征在于，包括：

生成包括帧序列(210、310)的量子信号(S120)；

生成导频信号(S160)，其中所述导频信号包括与所述帧序列(210、310)同步的签名序列(250a–250f、350a–350c)；

基于所述导频信号(S160)和所述量子信号(S120)对光载波(S180)进行调制以提供所述光信号(S192)。

10.一种接收器(700)，其特征在于，用于接收光信号(S702)携带的量子密钥，其中所述光信号(S702)包括量子信号(S790)和导频信号(S740)，所述量子信号(S790)包括帧序列(210、310)，所述导频信号(S740)包括与所述帧序列同步的签名序列(250a–250f、350a–350c)，所述接收器包括光电电路(710、730、750、780、790、795)，用于：

从所述光信号中提取所述量子信号和所述导频信号；

从所述导频信号中提取所述签名序列；

基于所述签名序列识别所述量子信号的帧；

根据所述帧序列解释所述量子信号来从所述量子信号中提取所述量子密钥(S795)。

11.根据权利要求10所述的接收器(700)，其特征在于，所述光电电路包括相干光检测器(710)，用于基于本地光载波(S720)将所述光信号(S702)转换为电信号(S710)。

12.根据权利要求11所述的接收器(700)，其特征在于，所述光电电路(750)包括滤波器(740)，用于从所述电信号(S710)中提取所述导频信号(S740)。

13.根据权利要求12所述的接收器(700)，其特征在于，所述光电电路(750)包括切片器(760)，用于比较所述导频信号(S740)的幅度与阈值，以从所述调制后导频载波(S740)中获取所述签名序列(250a–250f、350a–350c)。

14.根据权利要求12所述的接收器(700)，其特征在于，所述光电电路(750)包括第一单稳态多谐发生器(830)和第二单稳态多谐发生器(840)，用于从所述导频信号(S740)中获取所述签名序列(250a–250f、350a–350c)。

15.一种用于接收量子密钥的方法，其特征在于，包括：

接收包括量子信号(S790)和导频信号(S740)的光信号(S192、S702)，其中所述量子信号包括帧序列(210、310)，所述导频信号包括与所述帧序列同步的签名序列(250a–250f、350a–350c)；

从所述光信号中提取所述量子信号；

从所述光信号中提取所述导频信号；

从所述导频信号中提取所述签名序列；

基于所述签名序列识别所述量子信号的帧；

根据所述帧序列解释所述量子信号来从所述量子信号中提取所述量子密钥(S795)。

16.一种包含程序代码的计算机程序产品，其特征在于，当所述计算机程序在计算设备上运行时，用于执行根据权利要求9或15所述的方法。

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