CN112311540A - 一种本地本振的四态量子密钥分发方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种本地本振的四态量子密钥分发方法及系统，本发明在通信的接收端采用零差测量获得信号光的正则分量，同时提出一种新的零差测量后处理方法，结合适当的数据后处理，将公布的测量结果进行适当的组合配对，能够通过零差测量的方法达到外差测量的理论传输距离，另一方面，本发明在估计成码率的过程中采用了振荡斜率算法，通过该算法在保证集体攻击下无条件安全的前提下提升了估计成码率的速度。

Description

一种本地本振的四态量子密钥分发方法及系统
技术领域
本发明涉及量子密钥分发领域，尤其涉及一种本地本振的四态量子密钥分发方法及系统。
背景技术
量子密钥分发是量子通信领域中目前最接近实用化的研究方向，随着各类型计算机尤其是量子计算机的发展，传统依赖于计算复杂度的密钥分发手段变得不再安全。而量子密钥分发则由于其无条件安全性受到各方重视。量子密钥分发主要分为离散变量量子密钥分发(Discrete Variable QKD)和连续变量量子密钥分发(Continuous Variable QKD)两大类。
连续变量量子密钥分发系统在光场的正则分量上编码，其量子态可使用光纤通信中用到的半导体激光器来制备，量子态探测可以使用零差或外差测量来实现。因此，连续变量量子密钥分发系统可以与现有光通信系统实现复用，在降低成本、提升集成化程度和提高实用化水平等方面具有潜在的优势，成为一种更符合现实的优选方案。
文献“Asymptotic Security Analysis of Discrete-Modulated Continuous-Variable Quantum Key Distribution，Phys.Rev.X9,0401064”提供了一种连续变量四态量子密钥分发协议，但在这个协议中采用了一种凸优化和数值模拟的方法，用于计算四态调制协议的安全成码率，从而得到较紧的成码率下限。但是，文中所使用的凸优化算法和数值模拟，所需运算量大，计算过程缓慢，不能适应实际运用中的需求，且文献中也并未给出该协议如何通过具体系统实现。
另一方面，在连续变量量子密钥分发系统构建过程中，零差测量由于其结构简单、系统体积小以及对信号光质量要求低等优势而获得青睐。然而零差测量传输距离较低，实验上仅达到约50km。外差测量在理论上传输距离可以达到200km以上，但由于系统的噪声影响，实验上的传输距离相较于零差测量并没有优势，甚至会更低。
发明内容
发明目的：本发明旨在针对现有技术的不足，提出一种本地本振的四态量子密钥分发方法及系统，本发明中提出一种新的零差测量后处理方法，能够通过零差测量的方法达到外差测量的理论传输距离，另一方面，本发明在估计成码率的过程中采用了振荡斜率算法，通过该算法在保证集体攻击下无条件安全的前提下提升了估计成码率的速度。
技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案为：
一种本地本振的四态量子密钥分发方法，包括步骤：
(1)发送端生成信号光，通过对信号光进行相位调制，按照概率
Figure BDA0002779973550000021
Figure BDA0002779973550000022
随机地制备出对应四种信号态的信号光，pA表示一概率值，所述四种信号态为：|α、|-α>、|iα>、|-iα>；
(2)接收端接收所述信号光，同时生成本振光，然后通过相位调制随机且等概率地在本振光中引入0或π/2的相位增量后与信号光一并送入本端的零差测量模块进行测量，得到信号光的正则坐标分量或正则动量分量；
(3)重复步骤(1)至(2)N次后，得到一轮成码所需的数据；
(4)发送端和接收端通过认证的经典信道进行通信以实现测量数据的后处理：接收端公布自己对测量基矢的选择，将同一量子态在一对正交测量基矢下的测量结果作为一组零差测量值，其余数据舍去；
(5)发送端与接收端从保留的数据中随机公布一部分，通过振荡斜率算法估计成码率；
(6)在成码率满足安全性要求的前提下，发送端对所发送的信号态进行密钥映射，得到发送端的初始密钥；接收端根据测量结果进行密钥映射，得到接收端的初始密钥；
(7)发送端和接收端基于各自的初始密钥进行纠错和隐私放大，最终得到安全密钥。
进一步的，所述发送端得到初始密钥的方法为：发送端根据随机数发生器所得随机数对所发送的四种信号态进行相位编码，并得到初始密钥。
进一步的，所述接收端得到初始密钥的方法为：
接收端将每一组零差测量值中的正则坐标表示为复数
Figure BDA0002779973550000023
将正则动量表示为复数
Figure BDA0002779973550000024
y为模，θ1和θ2为幅角，然后按照以下规则将
Figure BDA0002779973550000025
和
Figure BDA0002779973550000026
映射到字符串zj上：
Figure BDA0002779973550000027
且θ2∈[-ΔP,ΔP)时，zj＝0；
Figure BDA0002779973550000028
且θ2∈[π-ΔP,π+ΔP)时，zj＝1；
Figure BDA0002779973550000031
且θ2∈[-ΔP,ΔP)时，zj＝2；
Figure BDA0002779973550000032
且θ2∈[π-ΔP,π+ΔP)时，zj＝3；
其中，
Figure BDA0002779973550000033
为可选范围，范围之外的结果则全部抛弃。
本发明还提出一种本地本振的四态量子密钥分发系统，用于实现所述方法，包括发送端和接收端，其特征在于，所述发送端包括信号光发送模块、第一存储模块与后处理模块；其中，信号光发送模块用于制备所述对应四种信号态的信号光；第一存储模块用于存储发送端制备信号光的记录；后处理模块用于实现所述后处理步骤以及后续的纠错和隐私放大步骤；
所述接收端包括本振光发送模块、测量模块与第二存储模块；其中，本振光发送模块用于制备所述本振光并在本振光中引入0或π/2的相位增量；测量模块用于对信号光与本振光进行零差测量；第二存储模块用于存储测量模块在零差测量时所选择的测量基矢。
对于上述系统，以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选。
可选的，所述发送端包括第一电吸收连续激光器、第一随机数发生器和第一相位调制器；其中，第一电吸收激光器用于产生具有高消光比的光脉冲；第一随机数发生器用于产生对应所述四种信号光的四个随机数；第一相位调制器根据第一随机数发生器产生的随机数将第一电吸收激光器产生的光脉冲调制为对应的信号光；
所述接收端包括：第二电吸收激光器、第二随机数发生器、第二相位调制器、分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器；其中，第二电吸收激光器用于产生与信号光频率一致的高消光比强光脉冲，该脉冲作为本振光；第二随机数发生器用于生成两个不同的随机数以控制第二相位调制器在本振光中引入相应的0或π/2的相位增量；分束器将信号光和本振光干涉后分为两束并分别送至第一、第二探测器进行测量，第一、第二探测器的测量结果经差分放大器放大后，得到信号光的正则坐标分量或正则动量分量。
可选的，在所述第一相位调制器制备出的信号光中还随机掺杂强光脉冲作为相位参考光来实现本振光与信号光的相位差固定。
可选的，所述发送端包括：电吸收连续激光器、分束器、第一随机数发生器、第一相位调制器、第一保偏偏振分束器；其中，电吸收连续激光器用于产生具有高消光比的光脉冲；分束器将电吸收连续激光器产生的光脉冲分为强弱不一的两束，将较弱的一束送入第一相位调制器，将较强的一束作为种子光送入第一保偏偏振分束器；第一随机数发生器用于产生对应所述四种信号光的四个随机数；第一相位调制器根据第一随机数发生器产生的随机数将第一电吸收激光器产生的光脉冲调制为对应的信号光；第一保偏偏振分束器将经过调制的信号光与种子光进行合束之后送入光纤传输至接收端；
所述接收端包括：偏振控制器、连续激光器、环形器、第二相位调制器、第二随机数发生器、第二保偏偏振分束器、偏振分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器；其中，偏振控制器用于对种子光与信号光的偏振方向进行校准，保证种子光与信号光处于偏振正交的状态并使其能够与第二保偏偏振分束器的端口对准；第二保偏偏振分束器用于将信号光与种子光进行分束，将种子光通过环形器送入连续激光器，将信号光送入偏振分束器；连续激光器接收种子光的注入并形成与种子光相同频率的强光脉冲作为本振光；第二随机数发生器用于生成两个不同的随机数以控制第二相位调制器在本振光中引入相应的0或π/2的相位增量；偏振分束器将信号光和本振光干涉后分为两束并分别送至第一、第二探测器进行测量，第一、第二探测器的测量结果经差分放大器放大后，得到信号光的正则坐标分量或正则动量分量。
可选的，所述发送端包括：连续激光器、第一随机数发生器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一分束器和环形器；其中，连续激光器用于产生频率稳定的弱相干光，弱相干光通过环形器送至第一分束器；第一分束器用于将连续激光器发送的相干光分成两束，两束相干光分别沿顺时针和逆时针方向进入第一相位调制器；第一相位调制器，通过加载方波信号的方式对两束相干光同时进行相位调制，第一相位调制器调节方波信号的高电压与低电压的位置，使其处于高电压时，两束相干光的相位差为0，处于低电压时，两束相干光的相位差为π，最终形成脉冲光，所述脉冲光通过环形器送至第二相位调制器；第一随机数发生器用于产生对应所述四种信号光的四个随机数；第二相位调制器根据第一随机数发生器产生的随机数将接收到的脉冲光调制为对应的信号光；
所述接收端包括：电吸收连续激光器、第二随机数发生器、第三相位调制器、第二分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器；其中，电吸收连续激光器用于产生与信号光频率一致的高消光比强光脉冲作为本振光；第二随机数发生器用于生成两个不同的随机数以控制第三相位调制器在本振光中引入相应的0或π/2的相位增量；第二分束器将信号光和本振光干涉后分为两束并分别送至第一、第二探测器进行测量，第一、第二探测器的测量结果经差分放大器放大后，得到信号光的正则坐标分量或正则动量分量。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1：采用一种振荡斜率的算法来估计成码率，与凸优化算法相比，在所确定极值所在最终区间相同的情况下其调用函数的次数更少。因此，运用振荡斜率算法在不降低成码率的情况下提升了估计成码率的速度。
2：提出一种新的零差测量后处理方法，通过对在不同测量基矢下测量的相同量子态进行两两组合的方式得到一组零差测量值，可以用零差测量的方法得到与外差测量相同的结果，使最终传输距离得到明显提高。
附图说明
图1是本发明涉及的量子密钥分发系统的整体功能结构图；
图2是本发明实施例一的结构示意图；
图3是本发明实施例二的结构示意图；
图4是本发明实施例三的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。此外，除非有明确的规定和限制，在描述中出现的术语“连接”、“相连”、“安装”应该做广义的理解。对于本领域内的技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中需要理解的是出现术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位或反映位置关系的词，仅仅基于附图当中出现的方位或位置关系，是为了便于对本发明进行描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明不限于本文公开的实施例。
本发明旨在提出一种本地本振的四态量子密钥分发方法及系统。其中，本地本振的四态量子密钥分发方法包括以下步骤：
1、发送端生成信号光，通过对信号光进行相位调制，制备出对应四种信号态的信号光；所述四种信号态为：|α>、|-α>、|iα>、|-iα>。
2、接收端接收所述信号光，同时生成本振光，然后通过相位调制随机且等概率地在本振光中引入0或π/2的相位增量后与信号光一并送入本端的零差测量模块进行测量，得到信号光的正则坐标分量或正则动量分量。
3、重复步骤1至2N次后，得到一轮成码所需的数据。
4、发送端和接收端通过认证的经典信道进行通信以实现测量数据的后处理：接收端公布自己对测量基矢的选择，将同一量子态在一对正交测量基矢下的测量结果作为一组零差测量值，其余数据舍去。具体为：接收端告知发送端自己在测量时对正则分量的选择，然后发送端根据接收端的选择将发送同一种信号态而接收端分别测量正则坐标和正则动量的情况看作同一组，通过经典信道仅告诉接收端哪两次测量可以看作同一组，但并不公布制备的相干态本身。
5、发送端与接收端从保留的数据中随机公布一部分，通过振荡斜率算法估计成码率。成码率公式为：
Figure BDA0002779973550000061
其中ρAB为密度矩阵，Tr表示对矩阵求迹，K(ρAB)是密度矩阵与经典比特之间的映射，S表示对联合密度矩阵的约束范围。ppass为筛选过程后的比特串生成最终密钥的概率。P(K(ρAB))为收缩量子信道的密钥映射结果，δEC代表纠错损耗。
根据成码率公式，通过振荡斜率算法估计成码率。运用迭代法找到对应最强攻击时的矩阵ρ1。由于函数的凸性，成码率有以下性质：
Figure BDA0002779973550000062
其中▽为梯度算符，
Figure BDA0002779973550000063
为优化参数，Y为
Figure BDA0002779973550000064
的约束范围。求得右式即可以代表成码率下界。如果成码率高于阈值则说明安全，剩余一部分结果可以生成原始密钥。
6、在成码率满足安全性要求的前提下，发送端对所发送的信号态进行密钥映射，得到发送端的初始密钥；接收端根据测量结果进行密钥映射，得到接收端的初始密钥。
7、发送端和接收端基于各自的初始密钥进行纠错和隐私放大，最终得到安全密钥。
具体的，在上述方法中，所述四种信号态的分布概率为：
Figure BDA0002779973550000071
pA表示一概率值。
具体的，在上述方法中，所述发送端得到初始密钥的方法为：发送端对所发送的四种信号态进行相位编码，得到四个经典比特x1至x4。所述接收端得到初始密钥的方法为：接收端将每一组零差测量值中的正则坐标表示为复数
Figure BDA0002779973550000072
将正则动量表示为复数
Figure BDA0002779973550000073
y为模，θ1和θ2为幅角，然后按照以下规则将
Figure BDA0002779973550000074
和
Figure BDA0002779973550000075
映射到字符串zj上：
Figure BDA0002779973550000076
且θ2∈[-ΔP,ΔP)时，zj＝0；
Figure BDA0002779973550000077
且θ2∈[π-ΔP,π+ΔP)时，zj＝1；
Figure BDA0002779973550000078
且θ2∈[-ΔP,ΔP)时，zj＝2；
Figure BDA0002779973550000079
且θ2∈[π-ΔP,π+ΔP)时，zj＝3；
其中，
Figure BDA00027799735500000710
为可选范围，范围之外的结果则全部抛弃。
本发明提出的本地本振的四态量子密钥分发系统包括信号光发送模块、第一存储模块、本振光发送模块、测量模块、第二存储模块二与后处理模块。其发送端包括信号光发送模块、第一存储模块与后处理模块；接收端包括本振光发送模块、测量模块与第二存储模块，其具体构建方式如图1所示。
所述信号光发送模块功能为制备与发送信号光，信号光应为具有高消光比的光脉冲。该模块发送不同相位信号光的概率应是可控的。根据上述要求，优选地，具体设备可以包括但不限于电吸收激光器、随机数生成器和相位调制器等。
所述本振光发送模块用于制备与发送本振光。本振光应为一经典强光，其频率应与信号光保持基本相同。为了方便测量，本振光与信号光的相位差应在短时间内保持稳定。优选地，具体设备可以包括窄线宽连续激光器、相位调制器、环形器等。
所述测量模块用于对信号光与本振光进行零差测量，首先需要将信号光与本振光分成相位不同的两束相干光，具体设备可以包括分束器等。通过分束器后，需要对形成的两束相干光的正则分量进行测量。对于零差检测系统，其光电探测装置应为低噪声、高灵敏度。优选地，具体设备可以包括但不限于PIN二极管和差分放大器等。
所述第一存储模块用于存储信号光发送记录，第二存储模块用于存储测量模块的测量结果。具体设备可以包括但不限于存储芯片等。
所述后处理模块，用于进行存储模块一与存储模块二的信息交流，判断生成的密钥是否可用，并进行后续的纠错、验证和隐私放大等过程。由于反向协调相比正向协调拥有更远的传输距离，所以本系统实施的是反向协调的后处理。后处理模块位于发送端，其具体设备可以包括但不限于CPU等。
下面将结合三个优选实施例来进一步说明本发明中本地本振的四态量子密钥分发系统的工作原理，该实施例为本发明所述系统的最简实施例。需要说明的是，为了突出重点，图2-4中只包括了光路图，其中的数据处理装置将在后续文字说明中一并阐述。
实施例1：
本实施例采用如图2所示的装置，实现本地本振的四态量子密钥分发。本系统包括发送端和接收端两个部分，优选地，两个部分之间可以通过光纤连接。
发送端包括第一电吸收连续激光器、第一随机数发生器(为简化附图，未在图中给出)与第一相位调制器。
第一电吸收激光器用于产生具有高消光比(100：1)的光脉冲。
第一相位调制器，通过第一调制电吸收激光器发出的光脉冲制备四种信号光，信号光中会随机掺杂强光脉冲作为相位参考光。
第一随机数发生器用于根据
Figure BDA0002779973550000081
的概率产生{0，1，2，3}四种随机数。其中随机数{0，1}对应相位调制器产生的|α>、|-α>两种量子态，{2，3}对应其产生的|iα>、|-iα>两种量子态。
第一相位调制器根据随机数将信号光分别旋转0、
Figure BDA0002779973550000082
π、
Figure BDA0002779973550000083
角度，以此制备|α>、|-α>、|iα>、|-iα>四种量子态。随后通过光纤将信号光发给测量模块。在发送的量子态之间随机的插入相位参考光，以此确定信号光和本振光的相位差。
接收端包括：第二电吸收激光器、第二随机数发生器(为简化附图，未在图中给出)、第二相位调制器、分束器、第一探测器、第二探测器、差分放大器。其中，
第二电吸收激光器用于产生与信号光频率大致相同的高消光比强光脉冲，该脉冲作为本振光。
第二随机数发生器用于产生一组随机数{0，1}。
第二相位调制器用于根据随机数发生器产生的随机数调整本振光的相位，该相位用于对信号光的某个正则分量进行测量。如随机数为0，则测量正则坐标，相位调制器调整本振光相位与信号光调制前的原相位差为0；随机数为1，则测量正则动量，相位调制器调整两者相位差为
Figure BDA0002779973550000091
为了测量信号光与本振光的相位差，测量模块由50：50分束器、两个探测器和一个差分放大器组成。本振光和信号光将通过两个输入端口直接进入50：50分束器，经过分束器形成两束相干光。
以
Figure BDA0002779973550000092
和
Figure BDA0002779973550000093
分别表示信号光的产生算符和湮灭算符，以
Figure BDA0002779973550000094
和
Figure BDA0002779973550000095
表示本振光的产生算符和湮灭算符，则输出相干光的光场分别可以表示为：
Figure BDA0002779973550000096
Figure BDA0002779973550000097
第一探测器和第二探测器用于将接收到的相干光信号转化为电信号，输出与相干光强大小成正比的光电流。
所述差分放大器用于对两探测器输出的光电流进行减法运算，得到两光电流的光强差，即为正则坐标测量值或正则动量测量值。
本实施例中，为简化附图，第一存储模块、第二存储模块和后处理模块均未在图中给出。而所述系统工作时，第一存储模块用于存储信号发送记录，存储模块二用于记录零差测量结果。
在发送端发送N个光脉冲后，接收端公布自己的测量基矢选择，发送端将其与自己的基矢选择进行比对，把基矢选择相同的数据告诉接收端，其余的数据舍去。
通过对在不同测量基矢下测量的相同量子态进行组合的方式，发送端将剩余测量结果进行两两配对，并将配对结果告诉接收端。接收端根据自己的测量结果得到一组零差测量值。
发送端与接收端公布一部分测量结果，通过振荡斜率算法估计成码率。如果成码率低于阈值则说明存在被窃听的可能性，反之则说明安全，剩余一部分结果可以生成原始密钥。
接收端将每一组零差测量值
Figure BDA0002779973550000101
映射到字符串zj上，得到原始密钥。
随后由后处理模块对原始密钥进行后续的纠错、验证与隐私放大过程，得到最终密钥。由于本实施例进行的是反向协调的后处理，所以后处理模块位于发送端。
综上，本实施例使用常见的光学仪器，装置结构简单，可操作性强；使用接收端发送本振光的方法，避免了本振光受到窃听者攻击的可能，使密钥分发过程的安全性得到了提高；使用离散调制，数据后处理过程比高斯调制要简单，使纠错的效率得到提高；使用零差检测的方式，在系统保持简单可靠的情况下达到了外差测量理论上的传输距离。
实施例2：
本实施例给出了另一种本地本振的四态量子密钥分发系统的实现方式，如图3所示，本系统包括发送端和接收端两个部分，优选地，两个部分之间可以通过光纤连接。与实施例1不同的是，本实施例通过发送端发送种子光的方式取代了随机掺杂的参考光来实现本振光与信号光的相位差固定，使本振光的频率与信号光的能够更好地保持一致。
根据本发明原理，本实施例的信号光发送模块包括电吸收连续激光器、第一随机数发生器、第一相位调制器、第一保偏偏振分束器。其中，电吸收连续激光器，用于产生具有高消光比的光脉冲；第一随机数发生器，用于根据
Figure BDA0002779973550000102
的概率产生{0，1，2，3}四种随机数；第一相位调制器，用于根据第一随机数发生器产生的随机数将信号光进行旋转，分别制备|α>、|-α>、|iα>、|-iα>四种量子态；分束器为n:1分束器。优选地，n＝99。其中弱光脉冲作为信号光通过上部端口，强光脉冲作为本振光的种子光通过下部端口；第一保偏偏振分束器用于将经过调制的信号光与种子光进行合束之后送入光纤之中进行传输。
接收端的本振光发送模块包括偏振控制器、第二随机数发生器、第二保偏偏振分束器、连续激光器、环形器和第二相位调制器；其中，偏振控制器用于保证种子光与信号光处于偏振正交的状态，并且在经过长距离的量子信道传输之后对偏振方向进行校准，使其能够与保偏偏振分束器的端口对准；第二保偏偏振分束器用于将信号光与种子光进行分束，将种子光送入上部端口，信号光送入下部端口；连续激光器，用于接收种子光的注入并形成与种子光相同频率的稳定振荡，输出强光脉冲作为本振光；第二随机数发生器，用于产生一组随机数{0，1}。第二相位调制器，用于根据上述随机数对本振光进行相位调制。如随机数为0，则调整本振光相位与信号光调制前的原相位差为0，后续零差测量测得正则坐标值。随机数为1，则调整两者相位差为
Figure BDA0002779973550000111
后续零差测量测得正则动量值。环形器，用于隔离反向光，使光只能沿固定方向传播。固定方向为从保偏偏振分束器至连续激光器，从连续激光器至相位调制器。
测量模块、存储模块的用途与结构和实施例1中相同。
在发送端发送N个光脉冲后，接收端公布自己的测量基矢选择，发送端将其与自己的基矢选择进行比对，把基矢选择相同的数据告诉接收端，其余的数据舍去。
通过对在不同测量基矢下测量的相同量子态进行组合的方式，发送端将剩余测量结果进行两两配对，并将配对结果告诉接收端。接收端根据自己的测量结果得到一组零差测量值。
发送端与接收端公布一部分测量结果，通过振荡斜率算法估计成码率。如果成码率低于阈值则说明存在被窃听的可能性，反之则说明安全，剩余一部分结果可以生成原始密钥。
接收端将每一组零差测量值
Figure BDA0002779973550000112
映射到字符串zj上，得到原始密钥。
后处理模块的用途与结构和实施例一中的相同。
与实施例1相比，本实施例采用注入锁定的方式发出本振光，避免了在信号光中随机插入相位参考光的操作，使系统更加简单可靠；被用于注入锁定的种子光与发送端发送的信号光同源，使本振光与信号光的相位差能够更好地保持稳定，提升了后续零差测量的精确度，从而提高了成码率。
实施例3：
本实施例采用如图4所示的系统，实现离散调制的连续变量量子密钥分发。与前两个实施例相比，主要的区别在于发送端光脉冲是由一束光分束后沿相反方向通过相位调制器产生的，使信号光的消光比能够达到较高的水平。
根据本发明原理，信号光发送模块包括连续激光器、第一随机数发生器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一分束器和环形器。其中，
连续激光器用于产生频率稳定的弱相干光；
第一分束器为50：50分束器，用于将连续激光器发送的相干光分成两束相干光，两束相干光分别沿光路进行顺时针和逆时针传播，并沿相反方向通过光纤进入第一相位调制器。
第一相位调制器，用于对左右两个端口进入的两束光同时进行相位调制。通过对第一相位调制器加载方波信号的方式，可以使两束光相长或相消。调节方波信号的高电压与低电压的位置，使其处于高电压时，两束光的相位差为0，处于低电压时两束光相位差为π。根据光的干涉原理，两束同源光在相位差为0时所得干涉光光强最大，相位差为π时光强几乎为0，形成脉冲光。
环形器，用于隔离反向光，使光只能沿固定方向传播。固定方向为从连续激光器至分束器，从分束器至第二相位调制器。
第一随机数发生器，用于根据
Figure BDA0002779973550000121
的概率产生{0，1，2，3}四种随机数。
第二相位调制器根据随机数将信号光分别旋转0、
Figure BDA0002779973550000122
π、
Figure BDA0002779973550000123
角度，以此制备|α>、|-α>、|iα>、|-iα>四种量子态。
随后的本振光发送模块、测量模块与存储模块与实施例1中的相同。
在发送端发送N个光脉冲后，接收端公布自己的测量基矢选择，发送端将其与自己的基矢选择进行比对，把基矢选择相同的数据告诉接收端，其余的数据舍去。
通过对在不同测量基矢下测量的相同量子态进行组合的方式，发送端将剩余测量结果进行两两配对，并将配对结果告诉接收端。接收端根据自己的测量结果得到一组零差测量值。
发送端与接收端公布一部分测量结果，通过振荡斜率算法估计成码率。如果成码率低于阈值则说明存在被窃听的可能性，反之则说明安全，剩余一部分结果可以生成原始密钥。
接收端将每一组零差测量值
Figure BDA0002779973550000124
映射到字符串zj上，得到原始密钥。
后处理模块的用途与结构和实施例1中的相同。
与实施例1相比，本实施例采用对激光分束后进行相位调制并进行干涉的方法来实现光脉冲的制备，与一般的连续激光器和强度调制器的组合相比，其构造简单，所需要的的仪器少。并且由于通过光路相同，该装置两束光的相位差能够一直保持稳定，不需要进行实时反馈来控制加载在相位调制器的方波信号。同时该装置也能够实现更高的消光比，获得更高质量的信号光。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种本地本振的四态量子密钥分发方法，其特征在于，包括步骤：
(1)发送端生成信号光，通过对信号光进行相位调制，按照概率
Figure FDA0002779973540000011
Figure FDA0002779973540000012
随机地制备出对应四种信号态的信号光，pA表示一概率值，所述四种信号态为：|α>、|-α>、|iα>、|-iα>；
(2)接收端接收所述信号光，同时生成本振光，然后通过相位调制随机且等概率地在本振光中引入0或π/2的相位增量后与信号光一并送入本端的零差测量模块进行测量，得到信号光的正则坐标分量或正则动量分量；
(3)重复步骤(1)至(2)N次后，得到一轮成码所需的数据；
(4)发送端和接收端通过认证的经典信道进行通信以实现测量数据的后处理：接收端公布自己对测量基矢的选择，将同一量子态在一对正交测量基矢下的测量结果作为一组零差测量值，其余数据舍去；
(5)发送端与接收端从保留的数据中随机公布一部分，通过振荡斜率算法估计成码率；
(6)在成码率满足安全性要求的前提下，发送端对所发送的信号态进行密钥映射，得到发送端的初始密钥；接收端根据测量结果进行密钥映射，得到接收端的初始密钥；
(7)发送端和接收端基于各自的初始密钥进行纠错和隐私放大，最终得到安全密钥。
2.根据权利要求1所述的一种本地本振的四态量子密钥分发方法，其特征在于，所述发送端得到初始密钥的方法为：发送端根据随机数发生器所得随机数对所发送的四种信号态进行相位编码，并得到初始密钥。
3.根据权利要求2所述的一种本地本振的四态量子密钥分发方法，其特征在于，所述接收端得到初始密钥的方法为：
接收端将每一组零差测量值中的正则坐标表示为复数
Figure FDA0002779973540000013
将正则动量表示为复数
Figure FDA0002779973540000014
y为模，θ1和θ2为幅角，然后按照以下规则将
Figure FDA0002779973540000015
和
Figure FDA0002779973540000016
映射到字符串zj上：
Figure FDA0002779973540000017
且θ2∈[-ΔP,ΔP)时，zj＝0；
Figure FDA0002779973540000018
且θ2∈[π-ΔP,π+ΔP)时，zj＝1；
Figure FDA0002779973540000021
且θ2∈[-ΔP,ΔP)时，zj＝2；
Figure FDA0002779973540000022
且θ2∈[π-ΔP,π+ΔP)时，zj＝3；
其中，
Figure FDA0002779973540000023
为可选范围，范围之外的结果则全部抛弃。
4.一种本地本振的四态量子密钥分发系统，用于实现权利要求1至3任意一项所述方法，包括发送端和接收端，其特征在于，所述发送端包括信号光发送模块、第一存储模块与后处理模块；其中，信号光发送模块用于制备所述对应四种信号态的信号光；第一存储模块用于存储发送端制备信号光的记录；后处理模块用于实现所述后处理步骤以及后续的纠错和隐私放大步骤；
所述接收端包括本振光发送模块、测量模块与第二存储模块；其中，本振光发送模块用于制备所述本振光并在本振光中引入0或π/2的相位增量；测量模块用于对信号光与本振光进行零差测量；第二存储模块用于存储测量模块在零差测量时所选择的测量基矢。
5.根据权利要求4所述的一种本地本振的四态量子密钥分发系统，其特征在于，
所述发送端包括第一电吸收连续激光器、第一随机数发生器和第一相位调制器；其中，第一电吸收激光器用于产生具有高消光比的光脉冲；第一随机数发生器用于产生对应所述四种信号光的四个随机数；第一相位调制器根据第一随机数发生器产生的随机数将第一电吸收激光器产生的光脉冲调制为对应的信号光；
所述接收端包括：第二电吸收激光器、第二随机数发生器、第二相位调制器、分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器；其中，第二电吸收激光器用于产生与信号光频率一致的高消光比强光脉冲，该脉冲作为本振光；第二随机数发生器用于生成两个不同的随机数以控制第二相位调制器在本振光中引入相应的0或π/2的相位增量；分束器将信号光和本振光干涉后分为两束并分别送至第一、第二探测器进行测量，第一、第二探测器的测量结果经差分放大器放大后，得到信号光的正则坐标分量或正则动量分量。
6.根据权利要求5所述的一种本地本振的四态量子密钥分发系统，其特征在于，在所述第一相位调制器制备出的信号光中还随机掺杂强光脉冲作为相位参考光来实现本振光与信号光的相位差固定。
7.根据权利要求4所述的一种本地本振的四态量子密钥分发系统，其特征在于，
所述发送端包括：电吸收连续激光器、分束器、第一随机数发生器、第一相位调制器、第一保偏偏振分束器；其中，电吸收连续激光器用于产生具有高消光比的光脉冲；分束器将电吸收连续激光器产生的光脉冲分为强弱不一的两束，将较弱的一束送入第一相位调制器，将较强的一束作为种子光送入第一保偏偏振分束器；第一随机数发生器用于产生对应所述四种信号光的四个随机数；第一相位调制器根据第一随机数发生器产生的随机数将第一电吸收激光器产生的光脉冲调制为对应的信号光；第一保偏偏振分束器将经过调制的信号光与种子光进行合束之后送入光纤传输至接收端；
所述接收端包括：偏振控制器、连续激光器、环形器、第二相位调制器、第二随机数发生器、第二保偏偏振分束器、偏振分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器；其中，偏振控制器用于对种子光与信号光的偏振方向进行校准，保证种子光与信号光处于偏振正交的状态并使其能够与第二保偏偏振分束器的端口对准；第二保偏偏振分束器用于将信号光与种子光进行分束，将种子光通过环形器送入连续激光器，将信号光送入偏振分束器；连续激光器接收种子光的注入并形成与种子光相同频率的强光脉冲作为本振光；第二随机数发生器用于生成两个不同的随机数以控制第二相位调制器在本振光中引入相应的0或π/2的相位增量；偏振分束器将信号光和本振光干涉后分为两束并分别送至第一、第二探测器进行测量，第一、第二探测器的测量结果经差分放大器放大后，得到信号光的正则坐标分量或正则动量分量。
8.根据权利要求4所述的一种本地本振的四态量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端包括：连续激光器、第一随机数发生器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一分束器和环形器；其中，连续激光器用于产生频率稳定的弱相干光，弱相干光通过环形器送至第一分束器；第一分束器用于将连续激光器发送的相干光分成两束，两束相干光分别沿顺时针和逆时针方向进入第一相位调制器；第一相位调制器，通过加载方波信号的方式对两束相干光同时进行相位调制，第一相位调制器调节方波信号的高电压与低电压的位置，使其处于高电压时，两束相干光的相位差为0，处于低电压时，两束相干光的相位差为π，最终形成脉冲光，所述脉冲光通过环形器送至第二相位调制器；第一随机数发生器用于产生对应所述四种信号光的四个随机数；第二相位调制器根据第一随机数发生器产生的随机数将接收到的脉冲光调制为对应的信号光；
所述接收端包括：电吸收连续激光器、第二随机数发生器、第三相位调制器、第二分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器；其中，电吸收连续激光器用于产生与信号光频率一致的高消光比强光脉冲作为本振光；第二随机数发生器用于生成两个不同的随机数以控制第三相位调制器在本振光中引入相应的0或π/2的相位增量；第二分束器将信号光和本振光干涉后分为两束并分别送至第一、第二探测器进行测量，第一、第二探测器的测量结果经差分放大器放大后，得到信号光的正则坐标分量或正则动量分量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113259104A (zh) * 2021-06-21 2021-08-13 南京大学 一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115396104B (zh) * 2022-10-27 2023-03-10 南京大学 一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2879381B1 (fr) * 2004-12-15 2008-12-26 Thales Sa Systeme de distribution quantique de cle de cryptage a variables continues
CN102868520B (zh) * 2012-08-28 2015-10-14 上海交通大学 连续变量量子密钥分发系统及其相位补偿方法
EP3244566B1 (en) * 2016-05-11 2020-08-05 Institut Mines Telecom Phase reference sharing schemes for continuous-variable quantum cryptography
CN110324140A (zh) * 2018-03-30 2019-10-11 上海国盾量子信息技术有限公司 一种用于连续变量量子密钥分发的解码装置、方法及分发系统
CN110351075B (zh) * 2018-04-08 2024-05-17 中国科学技术大学 一种连续变量量子密钥分发系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113259104A (zh) * 2021-06-21 2021-08-13 南京大学 一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统

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