CN112398650A - 基于ao单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，属于量子通信技术领域，包括以下步骤：步骤A：发送端进行量子密钥的生成和发送；步骤B：接收端进行参数估计、量子密钥接收、以及对接收到的信号进行检测、处理，最后获得一对安全密钥。本发明通过离散调制的CVQKD大大简化了解码过程，使得其能够保持较高的协商效率，从而适用于更远距离的通信距离。另外，在格林伍德频率固定的情况下，通过调整AO单元的闭环控制带宽和相干长度，可以获得更高的混合效率，然后大大提高复杂通信环境下离散调制CVQKD协议的性能。
Description
技术领域
本发明属于量子通信技术领域，特别是涉及一种基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法。
背景技术
量子密钥分发(QKD)允许经过身份验证的双方，通常称为Alice和Bob，在不受信任的环境中共享一个同步的密钥。QKD领域有两种方法:一种是离散变量(DV)QKD，另一种是连续变量(CV)QKD。与DVQKD不同的是，CVQKD基于对场的四次性质的测量，并且利用高效率的零差(或外差)检测技术来实现其测量。其中，DVQKD主要以相位和偏振两种物理量加载密钥信息，而CVQKD则以光场量子态的正交分量加载密钥信息。与DVQKD相比，CVQKD的量子态更容易制备，且其量子态的探测方式使用高效、高抗干扰性、低成本的零差检测或者外差检测技术，这使得CVQKD的实用价值更为广泛。然而，由于高斯调制的CVQKD密钥提取过程复杂，使得其在长距离通信时协商效率较低，传输距离难以超过100Km。
传统CVQKD协议通常是设计基础上固定衰减通道(光纤)，但是它不适合无线链接，因为复杂通信信道下信道环境随时间波动，信道的透过率不服从固定的衰减公式。相干光通信系统(COC)由于通信容量大、能耗低、安全性好等优点，成为长距离传输高速数据信号的最具吸引力的技术之一。然而，相干探测方案的一个共同的主要问题是激光载波信号的波前和振幅容易受湍流的影响而发生畸变，这将降低系统的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，以解决传统CVQKD密钥提取过程复杂，协商效率差，不能适用于更远的通信距离。复杂通信环境下离散调制CVQKD协议性能低；以及使用COC系统时激光载波信号的波前和振幅容易受湍流的影响而发生畸变，导致系统的性能降低的问题。
本发明所采用的技术方案是：
基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，包括如下步骤：
步骤A：发送端进行量子密钥的生成和发送；
步骤B：接收端进行参数估计、量子密钥接收、以及对接收到的信号进行检测、处理，最后发送端和接收端共同获得一对安全密钥。
进一步的，所述步骤A包括以下步骤：
步骤A1：基于离散调制连续激光脉冲源生成光量子信号，即量子密钥；
步骤A2：将调制后的信号通过复杂通信信道发送至量子密钥接收端。
进一步的，所述步骤A1包括以下步骤：
步骤A1.1：首先，激光脉冲源生成原始的脉冲相干光信号，随后通过1:99非对称分束器将信号分为两路，分别为1%的弱信号光和99%的强本振光；
步骤A1.2：一路弱信号光依次经过幅度调制器和相位调制器完成幅度调制和相位调制，从而实现离散调制；另一路强本振光通过偏振控制器后，与离散调制后的信号光一起发送至耦合器进行耦合，然后生成一路光量子信号。
进一步的，所述步骤A2的复杂通信信道具体为：
复杂通信信道考虑两种信道分布模型，即信道透过率分别服从两点分布和均匀分布；第一种两点分布模型下，通过打开/关闭信道，使得信道的透过率在0和T0之间变化，此时信道服从两点分布；第二种均匀分布模型下，通过对信道透过率进行任意衰减，使得信道透过率在λT0和T0之间变化，此时信道服从均匀分布；
其中T0是一个小于1的数，透过率在这个范围内变化；λT0是透过率变化的下界，λ是一个范围在0到1之间的数。
进一步的，所述步骤B包括以下步骤：
步骤B1：接收端利用极大似然估计方法估计复杂通信环境下的信道参数；
步骤B2：接收端对经过复杂通信信道传输后的信号利用自适应光学单元进行处理，以补偿复杂通信信道带来的影响；
步骤B3：接收端执行相干检测，基于检测到的信号通过经典的数据后处理过程，即发送端和接收端共同进行密钥协商和私密放大后，发送端和接收端获得一对安全密钥。
进一步的，所述步骤B1的信道参数为透过率和过噪声。
进一步的，所述步骤B2包括以下步骤：
步骤B2.1：发送端发送的光束经过自适应光学单元组件的波前校正器，此时不对光束做处理，然后由自适应光学单元组件波前传感器对接收到的光束进行测量，并将波前像差作为反馈信号发送给自适应光学单元组件的波前控制器；
步骤B2.2：自适应光学单元组件的波前控制器根据收到的反馈信号做出相应动作控制自适应光学单元组件的波前校正器；
步骤B2.3：自适应光学单元组件的波前校正器对波动信号进行波前校正。
进一步的，所述步骤B2.3具体为在格林伍德频率固定的情况下，通过调整自适应光学单元组件的闭环控制带宽和适当范围内的相干长度，考虑自适应光学单元加性噪声的影响，补偿复杂通信信道引起的透过率波动和过噪声增加对信号的影响。
进一步的，所述步骤B3包括以下步骤：
步骤B3.1：接收端对校正后的信号执行相干检测来表征信道并估计过噪声；
步骤B3.2：接收端进行数据后处理，最终提高复杂通信环境下离散调制CVQKD协议的性能。
进一步的，所述相干检测为零差检测或外差检测；
所述数据后处理为隐私放大、纠错、协商。
本发明的有益效果是：本发明通过离散调制的CVQKD大大简化了解码过程，使得其能够保持较高的协商效率，从而适用于更远的通信距离。另外，通过自适应光学(AO)系统可以成功减轻接收到的激光载波信号的湍流引起的波前像差，很好地补偿COC系统的这一弱点。在格林伍德频率固定的情况下，通过调整AO单元的闭环控制带宽和相干长度，可以获得更高的混合效率，然后大大提高复杂通信环境下离散调制CVQKD协议的性能。
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是基于AO单元的离散调制连续变量量子密钥分发的结构框图。
图2是本发明实施例的量子密钥发送端与量子密钥接收端的光路原理图。
图3（a）是图2的局部放大图，表示密钥接收端的相干检测部分。
图3（b）是图2的局部放大图，表示密钥接收端的数据后处理部分。
图3（c）是图2的局部放大图，表示四态离散调制的空间相位图。
图中BS代表分束器；EPR代表双模纠缠态；|α1>、|α2>、|α3>、|α4>代表离散调制的四个态。
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1-2；以及图3（a）-（c）所示，本发明提供的一种基于自适应光学单元的离散调制连续变量量子密钥分发性能系统的改善方法，包括以下步骤：
步骤A：发送端Alice进行量子密钥的生成和发送。
所述步骤A包括以下步骤：
步骤A1：基于离散调制连续激光脉冲源生成光量子信号，即量子密钥；
步骤A2：将调制后的信号通过复杂通信信道发送至量子密钥接收端。
所述步骤A1包括以下步骤：
步骤A1.1：首先，激光脉冲源生成原始的脉冲相干光信号，随后通过1:99非对称分束器将信号分为两路，分别为1%的弱信号光和99%的强本振光；
步骤A1.2：一路弱信号光依次经过幅度调制器和相位调制器完成幅度调制和相位调制，从而实现离散调制；另一路强本振光通过偏振控制器后，与离散调制后的信号光一起发送至耦合器进行耦合，然后生成一路光量子信号。
所述步骤A2包括以下步骤：
复杂通信信道考虑两种信道分布模型，即信道透过率分别服从两点分布和均匀分布。第一种两点分布模型下，通过打开/关闭信道，使得信道的透过率在0和T0之间变化，此时信道服从两点分布；第二种均匀分布模型下，通过对信道透过率进行任意衰减，使得信道透过率在λT0和T0之间变化，此时信道服从均匀分布。
其中T0是一个小于1的数，透过率在这个范围内变化；λT0是透过率变化的下界，λ是一个范围在0到1之间的数。
步骤B：接收端Bob进行参数估计、量子密钥接收、以及对接收到的信号进行检测、处理，最后发送端和接收端共同获得一对安全密钥。
所述步骤B包括以下步骤：
步骤B1：Bob利用极大似然估计方法估计复杂通信信道下的信道参数，信道参数包括透过率和过噪声。
步骤B2：Bob对经过复杂通信信道传输后的信号利用自适应光学单元进行处理，以补偿复杂通信信道带来的影响。
步骤B3：Bob执行相干检测，基于检测到的信号通过经典的数据后处理过程如Alice和Bob共同进行密钥协商和私密放大后，两者获得一对安全密钥。
所述步骤B2包括如下步骤：
步骤B2.1：Alice端发送的光束经过自适应光学单元组件的波前校正器后（不对光束做处理），由自适应光学单元组件波前传感器对接收到的光束进行测量，并将波前像差作为反馈信号发送给自适应光学单元组件的波前控制器；
步骤B2.2：自适应光学单元组件的波前控制器根据收到的反馈信号做出相应动作控制自适应光学单元组件的波前校正器；
步骤B2.3：自适应光学单元组件的波前校正器对波动信号进行波前校正，在格林伍德频率固定的情况下，通过调整自适应光学单元组件的闭环控制带宽和适当范围内的相干长度，考虑自适应光学单元加性噪声的影响，补偿复杂通信信道引起的透过率波动和过噪声增加对信号的影响。
所述步骤B3包括如下步骤：
步骤B3.1：Bob对校正后的信号执行相干检测（即零差检测或外差检测）来表征信道并估计过噪声。
步骤B3.2：Bob进行数据后处理，如隐私放大、纠错、协商等，最终提高复杂通信环境下离散调制CVQKD协议的性能。
实施例：
Alice和Bob共享一个纠缠双模压缩真空态，两个模式A和B0的正交方差用V表示。Alice将一半的纠缠态B0通过透过率随机波动、过噪声为ξ的复杂通信信道发送给Bob。Bob利用一个实用的零差探测器来执行相干检测。这种实用的零差探测器可以用透射率为γ的分束器来建模，而它的电子噪声可以用方差为Vel的爱因斯坦波多斯基罗森状态来建模。在Alice端，量子态的制备可以通过外差检测测量两个正则分量，即XA和PA来建模。基于纠缠的CVQKD协议相当于准备-测量 (PM)协议，其中Alice用激光脉冲源产生量子态，并通过采用位移方差VA=V-1。随后，量子态发送到Bob，Bob用极大似然估计方法估计复杂通信信道的透过率和过噪声。利用自适应光学单元，对信道透过率、过噪声等参数估计结果进行进一步处理，以补偿复杂通信信道带来的影响，最后Bob执行零差检测和经典的数据后处理过程。以上零差探测是接收端随机测量其中一个分量，然后将测量基公开，发送端保存相同测量基的数据。而外差探测是双方保存所有数据。
该实例大大简化了解码过程，可以获得更高的混合效率，使得其能够保持较高的协商效率，从而适用于更远距离的通信距离，最终实现大幅度提高复杂通信环境下离散调制CVQKD协议的性能。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
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 (10)
1.基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：发送端进行量子密钥的生成和发送；
步骤B：接收端进行参数估计、量子密钥接收、以及对接收到的信号进行检测、处理，最后发送端和接收端共同获得一对安全密钥。
2.根据权利要求1所述的基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，其特征在于，所述步骤A包括以下步骤：
步骤A1：基于离散调制连续激光脉冲源生成光量子信号，即量子密钥；
步骤A2：将调制后的信号通过复杂通信信道发送至量子密钥接收端。
3.根据权利要求2所述的基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，其特征在于，所述步骤A1包括以下步骤：
步骤A1.1：首先，激光脉冲源生成原始的脉冲相干光信号，随后通过1:99非对称分束器将信号分为两路，分别为1%的弱信号光和99%的强本振光；
步骤A1.2：一路弱信号光依次经过幅度调制器和相位调制器完成幅度调制和相位调制，从而实现离散调制；另一路强本振光通过偏振控制器后，与离散调制后的信号光一起发送至耦合器进行耦合，然后生成一路光量子信号。
4.根据权利要求2所述的基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，其特征在于，所述步骤A2的复杂通信信道具体为：
复杂通信信道考虑两种信道分布模型，即信道透过率分别服从两点分布和均匀分布；第一种两点分布模型下，通过打开/关闭信道，使得信道的透过率在0和T0之间变化，此时信道服从两点分布；第二种均匀分布模型下，通过对信道透过率进行任意衰减，使得信道透过率在λT0和T0之间变化，此时信道服从均匀分布；
其中T0是一个小于1的数，透过率在这个范围内变化；λT0是透过率变化的下界，λ是一个范围在0到1之间的数。
5.根据权利要求1所述的基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，其特征在于，所述步骤B包括以下步骤：
步骤B1：接收端利用极大似然估计方法估计复杂通信环境下的信道参数；
步骤B2：接收端对经过复杂通信信道传输后的信号利用自适应光学单元进行处理，以补偿复杂通信信道带来的影响；
步骤B3：接收端执行相干检测，基于检测到的信号通过经典的数据后处理过程，即发送端和接收端共同进行密钥协商和私密放大后，发送端和接收端获得一对安全密钥。
6.根据权利要求5所述的基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，其特征在于，所述步骤B1的信道参数为透过率和过噪声。
7.根据权利要求5所述的基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，其特征在于，所述步骤B2包括以下步骤：
步骤B2.1：发送端发送的光束经过自适应光学单元组件的波前校正器，此时不对光束做处理，然后由自适应光学单元组件波前传感器对接收到的光束进行测量，并将波前像差作为反馈信号发送给自适应光学单元组件的波前控制器；
步骤B2.2：自适应光学单元组件的波前控制器根据收到的反馈信号做出相应动作控制自适应光学单元组件的波前校正器；
步骤B2.3：自适应光学单元组件的波前校正器对波动信号进行波前校正。
8.根据权利要求7所述的基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，其特征在于，所述步骤B2.3具体为在格林伍德频率固定的情况下，通过调整自适应光学单元组件的闭环控制带宽和适当范围内的相干长度，考虑自适应光学单元加性噪声的影响，补偿复杂通信信道引起的透过率波动和过噪声增加对信号的影响。
9.根据权利要求5所述的基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，其特征在于，所述步骤B3包括以下步骤：
步骤B3.1：接收端对校正后的信号执行相干检测来表征信道并估计过噪声；
步骤B3.2：接收端进行数据后处理，最终提高复杂通信环境下离散调制CVQKD协议的性能。
10.根据权利要求9所述的基于AO单元离散调制连续变量量子密钥分发系统性能改善方法，其特征在于，所述相干检测为零差检测或外差检测；
所述数据后处理为隐私放大、纠错、协商。
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Non-Patent Citations (1)
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