CN112019334A - 一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光通信与量子加密通信技术领域的一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统，所述通信系统由信号发送器，信道，信号接收器三部分组成，量子调制部分由幅度调制器，相位调制器，衰减器组成，通过高斯调制和离散调制的方法调制其相位与振幅来传递分发量子随即数以作为加密密钥，该系统首次将连续变量量子通信信号与高速传统光通信同传，比如将强度调制或相干调制与量子QPSK相结合，并使用不同的探测器和后处理分布恢复传统和量子信息；量子信息的后处理包括纠错，安全放大等技术；传统通信的后处理包括纠错，解码等，使得传统量子通信与传统高速相干或强度调制光通信信号同传；降低量子通信系统成本和使用门槛。
Description
技术领域
本发明涉及光通信与量子加密通信技术领域，具体为一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统。
背景技术
随着量子技术的发展，使用量子信号传输安全密钥用于传统一次一密（对称加密）的安全加密方式的量子密钥分配技术是当前安全通信应对量子计算威胁的主流研究方向。该技术使用量子力学的基本原理，使用光为载体，将随机密钥加载到光的量子特性上，通过传统信道分发量子态，再通过经典信息理论提取密钥，在理论上具有无条件的安全性。由于该技术基于量子力学的基本特性，量子密钥分发在理论上，相对于传统加密方式，具有不可复制、绝对保密、无法窃听的无可比拟的优点。
从1984第一个量子密钥分发技术BB84提出以来，量子通信技术已经日趋成熟，多种衍生技术被提出，比如连续变量量子密钥分发，测量设备无关量子密钥分发等。在实际应用方面，美国自2003年起，美国国防部高级研究计划局（DARPA）开始有计划的简历量子通信网络；2004年起欧洲开始简历SECOQC量子通信网络并运行稳定。近年来，我国在量子通信领域发展迅速，实现了京沪干线，墨子号量子卫星等多项大型工程，进一步推动了量子通信技术在实际中的应用。
然而受限于量子通信的光源制备、探测、线路损耗以及解码端器件性能等影响因素，目前该技术对信道的要求较高并难以与传统光通信信号同步传输。比如，基于离散变量的量子通信协议要求使用昂贵的单光子探测器，敏感的单光子也难以通过波分复用等技术与传统光网络同步传输，这要求人们单独铺设量子通信的信道以及网络，这大大增加了量子通信在实际中的推广与应用的难度。另一方面，传统光通信网络已高度成熟并大规模覆盖，承载着当今数据通信的大部分流量传输，而与之相对应的量子通信网络仍处于早期阶段。对于一次一密的加密方式来说，要求密钥的长度大于等于信息的长度，这需要量子通信网络的覆盖范围与传统通信光网络覆盖相当才能进一步增加其使用场景与范围。然而大规模铺设量子通信网络成本太高，一定程度上限制量子通信技术的未来应用于与发展，为此，我们提出一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统，所述通信系统由信号发送器，信道，信号接收器三部分组成，量子调制部分由幅度调制器，相位调制器，衰减器组成，通过高斯调制和离散调制的方法调制其相位与振幅来传递分发量子随即数以作为加密密钥。
进一步地，所述接收器有两种不同的形式，其中一种对于量子通信与传统相干光通信结合，接收器采用传统外差检测进行测量，外差监测可同时测量信号的i和q正交分量，然后通过后处理即可移除传统光通信信息和移位。
进一步地，所述接收器的另外一种形式分为两部分，量子接收器以及传统光通信接收器，当混合光信号到达接收器时，由分光器分成两束，一束到达量子相干探测器，一束到达高速传统光通信光探测器。
进一步地，所述信道载体为传统光通信网络使用的光纤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该系统首次将连续变量量子通信信号与高速传统光通信同传，比如将强度调制或相干调制与量子QPSK相结合，并使用不同的探测器和后处理分布恢复传统和量子信息。
本发明量子信息的后处理包括纠错，安全放大等技术；传统通信的后处理包括纠错，解码等。
本发明使得传统量子通信与传统高速相干或强度调制光通信信号同传；
本发明使用传统光通信信道传播，与传统光通信系统整合；
本发明降低量子通信系统成本和使用门槛。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为传统相干光通信与量子通信结合信号相空间示意图；
图3为传统强度调制信号与量子通信结合信号波形示意图；
图4为本发明用于相干光通信与连续变量量子密钥通信的外差探测器示意图；
图5为本发明用于接受高速强度调制光通信与连续变量量子通信结合信号的接收器示意图。
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
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。
本发明提供一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统，通信系统由信号发送器，信道，信号接收器三部分组成。该系统采用实际激光器可直接产生的连续变量量子量子态。量子调制部分由幅度调制器，相位调制器，衰减器组成，通过高斯调制，离散调制等方法调制其相位与振幅来传递分发量子随即数以作为加密密钥。相比传统光通信调制方法，量子调制十分精确微小，可通过先调制后衰减的办法来获得小幅度的精确量子信息加载。
对于传统光通信信息的加载，即传统光通信调制部分包括相空间移位（displacement）以及传统光通信信息加载组成。相空间移位可通过分光器等实现，方法可见文献【1】，亦可通过减小量子调制模块中的强度衰减以及增大入射光强来实现。传统光通信信息加载可采用传统相干光通信加载或者强度调制模式。如图二所示，同步量子连续四态传输与传统QPSK调制方式在相空间形态。如图三所示，同步量子传输与传统OOK调制方式波形。
信道载体为传统光通信网络使用的光纤。
基于不同的传统光通信形式，接收器可有两种不同的形式。对于量子通信与传统相干光通信结合，接收器可采用传统外差检测进行测量，如图四。外差监测可同时测量信号的i和q正交分量，然后通过后处理即可移除传统光通信信息和移位。然而由于当前量子通信的探测器带宽限制，该方案一定程度限制了传统相干光通信的速率。
第二种形式，如图五，接收器分为两部分，量子接收器以及传统光通信接收器。当混合光信号到达接收器时，由分光器分成两束，一束到达量子相干探测器，一束到达高速传统光通信光探测器（比如PIN探测器）。由于传统光通信比如OOK的带宽远大于量子通信信号的带宽，对于量子探测器来说，传统光调制相当于增加了其过量噪声，并且传统光通信带宽越大，过量噪声越小。此复合信号相当于一多模量子态。因此对于量子零差或外差检测结果，只需通过后处理移除相空间移位即可。对于传统光探测，量子调制十分微小，只相当于一点噪声，只需增加相空间移位即可保证通信误码率不受影响。由于传统光通信探测器的大带宽，即可完美恢复传统光通信的信号。关于量子调制对传统信号的影响可具体见论文【2】分析。
上述引用的文献为：【1】PARIS, M. G. A. Displacement operator by beamsplitter.v. 217, n. 2, p. 78-80, 1996.
【2】Qi, B. Simultaneous classical communication and quantum keydistribution using continuous variables. Physical Review A94,042340 (2016)。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统，其特征在于：所述通信系统由信号发送器，信道，信号接收器三部分组成，量子调制部分由幅度调制器，相位调制器，衰减器组成，通过高斯调制和离散调制的方法调制其相位与振幅来传递分发量子随即数以作为加密密钥。
2.根据权利要求1所述的一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统，其特征在于：所述接收器有两种不同的形式，其中一种对于量子通信与传统相干光通信结合，接收器采用传统外差检测进行测量，外差监测可同时测量信号的i和q正交分量，然后通过后处理即可移除传统光通信信息和移位。
3.根据权利要求2所述的一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统，其特征在于：所述接收器的另外一种形式分为两部分，量子接收器以及传统光通信接收器，当混合光信号到达接收器时，由分光器分成两束，一束到达量子相干探测器，一束到达高速传统光通信光探测器。
4.根据权利要求1所述的一种同步传输量子加密密钥以及光通信信号的通信系统，其特征在于：所述信道载体为传统光通信网络使用的光纤。
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