CN112398545A - Cvqkd系统量子信号调制方差控制和标定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定方法及系统，在连续变量量子密钥分发系统的发送端内部对量子光信号强度进行测试标定，利用调制方差对量子光信号强度进行量化；调制方差通过采用时分复用和偏振复用模式的光学结构以及测试监控模块来测量，测试监控模块用于剔除由光学结构中相位漂移造成的影响；光学结构中进行信息调制时，在信号序列中设置校验序列，干涉结果通过平衡探测器输出，测试监控模块对平衡探测器输出的电信号进行采集及数据分析，来判定相位漂移值，并依据相位漂移值对初始调制信息数据进行补偿，以实现信号监测光的调制方差准确测量，本发明为量子光信号调制方差规范化测试提供了一种可行方案。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定方法及系统。
背景技术
在通信技术快速发展的今天，信息传递越来越高效便捷，但同时对信息安全性的要求也日益增强。特别是随着量子计算的提出和发展，依赖经典密码学的计算安全性面临巨大挑战。基于量子力学基本原理的量子密钥分发具有理论上的无条件安全性，引起了人们的极大关注。量子密钥分发主要有离散变量密钥分发技术(Discrete Variable QuantumKey Distribution,DVQKD)和连续变量量子密钥分发技术(Continuous Variable QuantumKey Distribution,CVQKD)两大技术途径。相比DVQKD，CVQKD无需单光子源和单光子探测器，大部分器件与经典相干光通信兼容(器件成熟且带宽大)，在中短传输距离(城域范围内)具有更高的安全码率等显著优势，在近十年得到了快速发展。
基于相干态协议的CVQKD方案已经被很多研究小组在实验室内和实际光纤信道完成了验证。但系统距离真正实用化，还有一些亟待解决的问题，例如系统性能仍有优化空间，技术验证与标准规范研发还未成熟。在基于相干态协议的CVQKD系统中，发送端量子信号调制方差、接收端探测效率等若干关键参数是关系系统性能指标的核心，如何准确高效规范地进行参数测量和标定，并依据实际系统状态实时调整，是推进系统实用化的关键一环。然而目前公开报道的文献中，较少提及这些关键参数测试标定方法，通常只给出测量结果，并直接采用这一结果进行系统整体性能评估。针对基于相干态协议的CVQKD系统核心关键参数的测试标定，目前尚未形成针对性的规范化测试方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定方法及系统，在CVQKD系统发送端内部，通过添加部分元器件及反馈控制模块，即可实现系统关键参数——调制方差的实时控制和标定，为推进CVQKD系统实用化测试规范提供了一种可行方案。
本发明的一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定方法，在连续变量量子密钥分发系统的发送端内部对量子光信号强度进行测试标定，利用调制方差对量子光信号强度进行量化；所述调制方差通过采用时分复用和偏振复用模式的光学结构以及测试监控模块来测量，所述测试监控模块用于剔除由所述光学结构中相位漂移造成的影响；所述光学结构中进行信息调制时，在信号序列中设置校验序列，干涉结果通过平衡探测器输出，所述测试监控模块对所述平衡探测器输出的电信号进行采集及数据分析，来判定相位漂移值，并依据相位漂移值对初始调制信息数据进行补偿，以实现信号监测光的调制方差准确测量。
本发明的一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，包括采用时分复用和偏振复用模式的光学结构，以及测试监控模块，所述光学结构和所述测试监控模块用于测量调制方差，利用调制方差对量子光信号强度进行量化；所述测试监控模块用于剔除由所述光学结构中相位漂移造成的影响；所述光学结构中进行信息调制时，在信号序列中设置校验序列，干涉结果通过平衡探测器输出，所述测试监控模块对所述平衡探测器输出的电信号进行采集及数据分析，来判定相位漂移值，并依据相位漂移值对初始调制信息数据进行补偿，以实现信号监测光的调制方差准确测量。
进一步的，所述光学结构包括脉冲光源、第一分束器、振幅调制器、相位调制器、控制器、第二分束器、第三分束器、延时光纤、偏振合束器和所述平衡探测器，所述脉冲光源产生的脉冲光经所述第一分束器分成信号光和本振光两路光信号；信号光经由所述振幅调制器、所述相位调制器和所述控制器后到达所述第二分束器，由所述第二分束器再次分成信号监测光和信号通信光，信号监测光输入进所述平衡探测器，信号通信光经由所述偏振合束器输出至信道；本振光经所述延时光纤后，到达所述第三分束器，分成本振监测光和本振通信光，本振监测光输入进所述平衡探测器，本振通信光经由所述偏振合束器输出至信道。
进一步的，所述第一分束器将所述脉冲光源产生的脉冲光分束成信号光和本振光，本振光为信号光提供本振干涉源；所述第二分束器对信号光实现信号通信光和信号监测光的分束；所述第三分束器对本振光实现本振通信光和本振监测光的分束，通过对信号监测光和本振监测光的测试实现对输入进信道的信号参数评估；所述第二分束器和所述第三分束器能够更换为光开关，即通过所述光开关控制信号监测光和本振监测光直接输入进所述平衡探测器。
进一步的，所述振幅调制器和所述相位调制器分别对信号光实现随机信号加载，完成相空间上两个正则分量的调制，即信息调制。
进一步的，所述控制器实现信号光的强度控制，包括可调衰减器或强度调制器；所述控制器能够设置在所述振幅调制器和所述相位调制器之前，即与所述第一分束器相连接。
进一步的，所述延时光纤用于使信号光和本振光到达所述平衡探测器的光程相等；所述延时光纤能够设置在所述第三分束器与所述平衡探测器之间，或所述第二分束器和所述平衡探测器之间，或所述第一分束器和所述第二分束器之间的任意位置。
进一步的，所述平衡探测器集成了2x2分束器且具有强度自动平衡功能，用于完成对信号监测信光的参数测试。
进一步的，所述偏振合束器实现偏振复用，将信号通信光和本振通信光分别耦合到光纤的快慢轴上，实现偏振正交复用输入进信道进行传输。
进一步的，所述测试监控模块能够对所述平衡探测器输出的电信号进行高速采集，统计计算包括信号监测光的方差在内的重要系统参数信息，并结合系统整体参数评估结果，将反馈控制信号加载在所述振幅调制器、所述相位调制器和所述控制器上，实现实时调控。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种适用于相干态协议的CVQKD系统的量子光信号调制方差的控制和标定方法及方法，具有结构简单可集成特点，为CVQKD系统参数——量子光信号调制方差规范化测试提供了一种可行方案，可CVQKD系统工程实用化创造条件。
本发明中由于光学结构不可避免的存在相位漂移，即信号监测光和本振监测光在到达平衡探测器进行干涉时存在由于臂长差随环境变化而造成的干涉结果变化，而测试监控模块能够剔除该相位漂移造成的影响，光学结构中进行信息调制时，在信号序列中设置校验序列，干涉结果通过平衡探测器输出，测试监控模块对平衡探测器输出的电信号进行采集及数据分析，来判定相位漂移值，并依据相位漂移值对初始调制信息数据进行补偿，可以实现信号监测光的调制方差准确测量。
附图说明
图1是本发明实施例的量子信号调制方差控制和标定系统示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本发明提供了一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定方法，在连续变量量子密钥分发系统的发送端内部对量子光信号强度进行测试标定，利用调制方差对量子光信号强度进行量化；调制方差通过采用时分复用和偏振复用模式的光学结构以及测试监控模块来测量，测试监控模块用于剔除由光学结构中相位漂移造成的影响。光学结构中进行信息调制时，在信号序列中设置校验序列，干涉结果通过平衡探测器输出，测试监控模块对平衡探测器输出的电信号进行采集及数据分析，来判定相位漂移值，并依据相位漂移值对初始调制信息数据进行补偿，以实现信号监测光1-1的调制方差准确测量。
相应的，本发明还提供了一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，包括采用时分复用和偏振复用模式的光学结构，以及测试监控模块，光学结构和测试监控模块用于测量调制方差，利用调制方差对量子光信号强度进行量化，测试监控模块用于剔除由光学结构中相位漂移造成的影响。如图1所示，光学结构包括脉冲光源、第一分束器、振幅调制器、相位调制器、控制器、第二分束器、第三分束器、延时光纤、偏振合束器和平衡探测器，脉冲光源产生的脉冲光经第一分束器分成信号光1和本振光2两路光信号；信号光1经由振幅调制器、相位调制器和控制器后到达第二分束器，由第二分束器再次分成信号监测光1-1和信号通信光1-2，信号监测光1-1输入进平衡探测器，信号通信光1-2经由偏振合束器输出至信道；本振光2经延时光纤后，到达第三分束器，分成本振监测光2-1和本振通信光2-2，本振监测光2-1输入进平衡探测器，本振通信光2-2经由偏振合束器输出至信道。
第一分束器将脉冲光源产生的脉冲光分束成信号光1和本振光2，本振光2为信号光1提供本振干涉源；第二分束器对信号光1实现信号通信光1-2和信号监测光1-1的分束；第三分束器对本振光2实现本振通信光2-2和本振监测光2-1的分束，通过对信号监测光1-1和本振监测光2-1的测试实现对输入进信道的信号参数评估；可选的，第二分束器和第三分束器可以更换为光开关，即通过光开关控制信号监测光1-1和本振监测光2-1直接输入进平衡探测器。
振幅调制器和相位调制器分别对信号光1实现随机信号加载，完成相空间上两个正则分量的调制，即信息调制。控制器实现信号光1的强度控制，具体可采用可调衰减器或强度调制器，可选的，控制器可以设置在振幅调制器和相位调制器之前，即与第一分束器相连接。
延时光纤用于使信号光1和本振光2到达平衡探测器的光程相等，延时光纤和第一分束器完成时分复用功能。可选的，延时光纤可以设置在第三分束器与平衡探测器之间，或第二分束器和平衡探测器之间，或第一分束器和第二分束器之间的任意位置。
平衡探测器集成了2x2分束器且具有强度自动平衡功能，用于完成对信号监测信光的参数测试。
偏振合束器实现偏振复用，将信号通信光1-2和本振通信光2-2分别耦合到光纤的快慢轴上，实现偏振正交复用输入进信道进行传输。
测试监控模块能够对平衡探测器输出的电信号进行高速采集，统计计算包括信号监测光1-1的方差在内的重要系统参数信息，并结合系统整体参数评估结果，将反馈控制信号加载在控制器上，或振幅调制器、相位调制器和控制器上，实现实时调控。
由于光学结构不可避免的存在相位漂移，即信号监测光1-1和本振监测光2-1在到达平衡探测器进行干涉时，存在由于臂长差随环境变化而造成的干涉结果变化。为剔除相位漂移对评估结果造成的影响，光学结构中进行信息调制时，在信号序列中设置校验序列，干涉结果通过平衡探测器输出，测试监控模块对平衡探测器输出的电信号进行采集及数据分析，来判定相位漂移值，并依据相位漂移值对初始调制信息数据进行补偿，以实现信号监测光1-1的调制方差准确测量。
在本发明的一个优选实施例中，以基于高斯调制相干态协议的CVQKD系统为例，说明如下：
脉冲光重复频率为fHz，即时间周期为T＝1/f；
第一分束器为保偏光纤分束器，分束比为10:90，即脉冲光经第一分束器分束后，10％的为信号光1，90％为本振光2；
信号光1经振幅调制器和相位调制器实现高斯调制，其中振幅调制器加载信号为带有校验序列1的瑞利分布的随机变量，相位调制器加载的信号为带有校验序列2的均匀分布的随机变量。校验序列1和校验序列2的信号不同，是针对相位漂移设计的具有一定规律的调制信号，但加载在振幅调制和相位调制器的周期个数相同。
控制器为电控衰减器，可对通过调整控制电压实现光信号的衰减；
第二分束器为保偏光纤分束器，分束比为50:50，即将信号光1等分为信号监测光1-1和信号通信光1-2，分别输入进平衡探测器和偏振合束器；
延时光纤的长度依据系统频率进行匹配，使第一分束器到偏振合束器之间的上下两支路延时差为T/2，且第一分束器到平衡探测器的上下两支路延时差为0。
系统通信前，按以下步骤完成自检标定工作：
(1)脉冲光源不出光，由测试监控模块完成平衡探测器的电噪声数据采集，并完成数据分析，获得电噪声方差数据Var_ele；
(2)脉冲光源出光，控制器加载电压使信号光1强度为0，由测试监控模块完成平衡探测器的噪声数据采集，并实现数据分析，获得探测器噪声Var_BHD，计算得散粒噪声Var_SN＝Var_BHD-Var_ele；
系统通信时，量子光信号方差控制和标定流程同步执行，为控制器加载一定电压值，使信号光1输出一定强度，由测试监控模块采集平衡探测器输出电信号data_sig，并采用散粒噪声Var_SN进行数据归一化，并结合相位漂移算法，对比加载在相位调制器和强度调制器上的随机变量，评估信号监测光1-1强度，获得调制信号方差VA。
系统通信时，量子信号的调制方差依据系统状态参数可进行实时调整，调整方法为通过监控测试模块反馈给控制器和调制器，如若系统实际信道参数由于环境影响发生了变化，因此需要调整方差来适配系统参数，以获得最佳安全码率，可以调整加载在控制器上的电压信号来调整调制方差VA的大小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
Claims (10)
1.一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定方法，其特征在于，在连续变量量子密钥分发系统的发送端内部对量子光信号强度进行测试标定，利用调制方差对量子光信号强度进行量化；所述调制方差通过采用时分复用和偏振复用模式的光学结构以及测试监控模块来测量，所述测试监控模块用于剔除由所述光学结构中相位漂移造成的影响；所述光学结构中进行信息调制时，在信号序列中设置校验序列，干涉结果通过平衡探测器输出，所述测试监控模块对所述平衡探测器输出的电信号进行采集及数据分析，来判定相位漂移值，并依据相位漂移值对初始调制信息数据进行补偿，以实现信号监测光的调制方差准确测量。
2.一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，其特征在于，包括采用时分复用和偏振复用模式的光学结构，以及测试监控模块，所述光学结构和所述测试监控模块用于测量调制方差，利用调制方差对量子光信号强度进行量化；所述测试监控模块用于剔除由所述光学结构中相位漂移造成的影响；所述光学结构中进行信息调制时，在信号序列中设置校验序列，干涉结果通过平衡探测器输出，所述测试监控模块对所述平衡探测器输出的电信号进行采集及数据分析，来判定相位漂移值，并依据相位漂移值对初始调制信息数据进行补偿，以实现信号监测光的调制方差准确测量。
3.根据权利要求2所述的一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，其特征在于，所述光学结构包括脉冲光源、第一分束器、振幅调制器、相位调制器、控制器、第二分束器、第三分束器、延时光纤、偏振合束器和所述平衡探测器，所述脉冲光源产生的脉冲光经所述第一分束器分成信号光和本振光两路光信号；信号光经由所述振幅调制器、所述相位调制器和所述控制器后到达所述第二分束器，由所述第二分束器再次分成信号监测光和信号通信光，信号监测光输入进所述平衡探测器，信号通信光经由所述偏振合束器输出至信道；本振光经所述延时光纤后，到达所述第三分束器，分成本振监测光和本振通信光，本振监测光输入进所述平衡探测器，本振通信光经由所述偏振合束器输出至信道。
4.根据权利要求3所述的一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，其特征在于，所述第一分束器将所述脉冲光源产生的脉冲光分束成信号光和本振光，本振光为信号光提供本振干涉源；所述第二分束器对信号光实现信号通信光和信号监测光的分束；所述第三分束器对本振光实现本振通信光和本振监测光的分束，通过对信号监测光和本振监测光的测试实现对输入进信道的信号参数评估；所述第二分束器和所述第三分束器能够更换为光开关，即通过所述光开关控制信号监测光和本振监测光直接输入进所述平衡探测器。
5.根据权利要求3所述的一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，其特征在于，所述振幅调制器和所述相位调制器分别对信号光实现随机信号加载，完成相空间上两个正则分量的调制，即信息调制。
6.根据权利要求3所述的一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，其特征在于，所述控制器实现信号光的强度控制，包括可调衰减器或强度调制器；所述控制器能够设置在所述振幅调制器和所述相位调制器之前，即与所述第一分束器相连接。
7.根据权利要求3所述的一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，其特征在于，所述延时光纤用于使信号光和本振光到达所述平衡探测器的光程相等；所述延时光纤能够设置在所述第三分束器与所述平衡探测器之间，或所述第二分束器和所述平衡探测器之间，或所述第一分束器和所述第二分束器之间的任意位置。
8.根据权利要求3所述的一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，其特征在于，所述平衡探测器集成了2x2分束器且具有强度自动平衡功能，用于完成对信号监测信光的参数测试。
9.根据权利要求3所述的一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，其特征在于，所述偏振合束器实现偏振复用，将信号通信光和本振通信光分别耦合到光纤的快慢轴上，实现偏振正交复用输入进信道进行传输。
10.根据权利要求3所述的一种CVQKD系统量子信号调制方差控制和标定系统，其特征在于，所述测试监控模块能够对所述平衡探测器输出的电信号进行高速采集，统计计算包括信号监测光的方差在内的重要系统参数信息，并结合系统整体参数评估结果，将反馈控制信号加载在所述振幅调制器、所述相位调制器和所述控制器上，实现实时调控。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114650130A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-06-21 | 中国电子科技集团公司第三十研究所 | 一种基于多点采样均值的cvqkd系统的高精度相位补偿方法 |
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