CN112671536B - 一种基于压缩态的混合调制连续变量qkd系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统，包括发送方和接收方；发送方和接收方通过量子信道、经典信道连接；其中：所述量子信道用于传输信号光和同步光，经典信道用于传输经典光，进行基矢对比及后处理；发送方进行密钥序列的生成、量子态的制备和发送，与接收方进行基矢对比和后处理过程；接收方对接收到的量子态进行测量并记录数据，与发送方进行基矢对比和后处理过程。该系统采用压缩态为光源量子态，对其被压缩分量进行高斯调制，对其被拉伸分量进行离散调制；其充分结合了压缩态的特性与优势，与之前的采用相干光的单一调制方案相比，本方案噪声更小，误码率更低，协议效率更高，传输距离更远，实现了更高的信道容量。

Description

一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统和方法

技术领域

本发明涉及量子信息以及量子加密通信领域，具体涉及一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统和方法。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution，QKD)技术为远程的通信双方安全地分发密钥信息提供了一种切实可行的途径。其中，连续变量QKD因为其较高的探测效率和较强的抗干扰能力等优点而受到了广泛关注，成为近年来量子加密通信领域的研究热点。

目前的连续变量QKD有两种调制方式，一种是高斯调制，另一种是离散调制。其中，高斯调制的优点是光场正交分量的分布为高斯分布，能够实现较高的信道容量。但在长距离传输时，信道损耗和过量噪声会导致协调效率急剧下降，从而难以获得安全密钥。针对高斯调制所存在的问题，Leverrier和Grangier等人提出了离散调制方案。在离散调制方案中，通信双方以正交分量符号的正负来解调密钥信息，大大简化了密钥提取过程。使得连续变量QKD在远距离条件下也能获得正的密钥率，传输距离提高到了100Km以上。

在目前的连续变量QKD中，不论是高斯调制方案，还是离散调制方案，所使用的量子态都是相干态。相干态是一种极易制备的光量子态，且两个正交分量涨落相同，满足最小不确定度关系，利于信号的调制。但在连续变量QKD中，相干态并非是性能最佳的量子态。在高斯调制方案中，相干态虽然为最小不确定度态，但其任一正交分量的涨落均为真空量子涨落，无法进一步降低，限制了其密钥率的提升。相比之下，压缩态的某一正交分量的涨落由于压缩效应而被大幅降低，应用于高斯调制中可以大大提升信噪比，使信道容量接近香农极限。同样的，在离散调制方案中，相干态在信道损耗的影响下，其正交分量分布区域会向原点靠拢。由于离散调制以正交分量的符号进行编码，这会导致方案的固有误码率大幅上升。依赖后处理算法虽然仍可以提取出密钥，但密钥率会大大降低，限制了其实际性能。相比之下，压缩态的某一正交分量的涨落由于拉伸效应而被大幅增加。以被拉伸的分量作为离散调制中的编码量可以很好地免疫信道损耗对固有误码率的影响，从而提升密钥率。压缩态独有的特性使其无论在高斯调制中还是在离散调制中都能获得非常好的表现。因此，一种使用压缩态的、能同时进行高斯调制和离散调制的连续变量QKD技术非常有意义。

实际上，在最早的连续变量QKD方案中，所使用的量子态就是压缩态。但由于早期技术水平有限，压缩态的制备极为困难，导致使用压缩态的连续变量QKD方案被舍弃。如今，压缩态的制备技术已经获得了很大的提升，基于片上全光压缩和基于PPKTP压缩腔的高压缩度的压缩光均已被实现。因此使用压缩态的方案已不存在技术上的问题，具备较高的实际可行性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，结合压缩态的特性与优势，提出了一种基于压缩态且使用高斯调制和离散调制的混合调制连续变量QKD系统和方法。

具体的，所述压缩态为平移压缩真空态，其表达式为|ψ>＝|α，ξ>＝D(α)S(ξ)|0>，其中，S(ξ)是压缩算符，D(α)为平移算符，均是对相空间中正交分量涨落区域的操作。ξ＝re^iθ，为压缩参量，其中，0≤r＜∞，称为压缩幅，用于描述压缩态的压缩程度；0≤θ＜2π，用于描述在相空间中的压缩方向；α＝X₁+iX₂，其为相平面中的一个复数，用于描述平移算符对涨落区域的平移量；X₁和X₂分别代表该平面中的横坐标和纵坐标。

进一步，所述平移压缩真空态为一种高斯态，当取θ值分别为0和π时，其Wigner函数为：

其中，

和

分别为涨落区域在相空间中沿X₁和X₂坐标轴平移的数值。

Wigner函数包含了两个正交分量的统计分布信息，当θ为0时：

当θ为π时：

可见，压缩态的正交分量分布类型为高斯分布，且参数θ决定了涨落区域的挤压方向，当θ＝0时，正交分量X₁的涨落压缩，正交分量X₂的涨落拉伸；而当θ＝π时，正交分量X₁的涨落拉伸，正交分量X₂的涨落压缩，涨落区域在相空间均呈现一种椭圆状。参数r决定了涨落区域的挤压程度，随着r值的增大，压缩态的压缩幅度也随之增大，涨落区域也变得越狭长。

结合高斯分布的特性，可计算出涨落拉伸的正交分量在相空间坐标轴一侧的分布概率，以X₁被拉伸为例，不难得出，当

时，X₁取值分布在X₂坐标轴右侧的概率为：

即X₁有很高的概率取值为正。同理，当

时，X₁将有很高的概率取值为负，概率同样达到0.977。可见，通过适当地调制平移量和压缩量，可以使平移压缩真空态中被拉伸的正交分量“恰当地”位于坐标轴一侧，使该正交分量有确定的正负符号，将协议的固有误码率降至很低的水平。

所述混合调制，即对压缩态同时进行高斯调制和离散调制。

所述离散调制，是指通过调控平移压缩真空态中的参数r、θ和α，来实现四类不同压缩态的调制，将二进制信息加载到压缩态被拉伸的分量上。具体的，Alice首先随机选取离散调制的编码分量，若选取正交分量X₁进行编码，则设置θ为π，若选取正交分量X₂进行编码，则设置θ为0。选定编码分量后，随即对其加载比特数值，即使用平移算符D(α)作用于|ξ>，产生平移压缩真空态|α，ξ>。具体的，若选取的正交分量为X₁，则将涨落区域沿X₁方向平移±e^r，对应编码的比特值分别为1和0。同理，若选取的正交分量为X₂，则将涨落区域沿X₂方向平移±e^r，所编码的比特值分别为1和0。

所述高斯调制，即发送方在执行离散调制的同时，也对压缩态的被压缩分量的分布区域进行随机的、连续的平移，使两个正交分量的统计分布相等。密钥信息以连续的随机变量形式被加载到压缩分量上。

具体的，在离散调制过程中，被拉伸的正交分量要沿其自身方向随机地平移±e^r，以完成比特信息的加载。则相应的，被压缩的正交分量同样也要随机地调制数值，使两个正交分量在多次测量中具有相同的统计分布。具体而言，以X₁进行离散调制，X₂进行高斯调制为例，不难得出X₁的统计分布为：

其中：

分别为X₁编码比特为0和1时的概率分布。显然，X₁的统计分布形式为两个方差相同，均值不同的高斯分布的叠加。则相应的，以X₁的概率分布F(X₁)为概率密度函数来对X₂的数值进行调制，使两个分量具有相同统计分布。与此同时，高斯调制的密钥信息也以高斯随机数的形式加载到X₂上。

对离散调制来说，压缩态可以有效地降低固有误码率。光信号在光纤中传输时会受到信道损耗的影响，在信道损耗作用下，由量子光学主方程(Mater Equation)可推算出，平移压缩真空态的演化将产生两方面的机制。一方面，压缩态的压缩度降低，表现为受挤压分量涨落增大，而被拉伸的分量涨落减小，涨落区域椭圆的长轴缩短。另一方面，随着平均光子数的减少，涨落区域中心向原点靠拢。这两种演化机制相结合，适当调节压缩态的参数，可使得在一定损耗范围内，拉伸分量基本维持在坐标轴一侧，即能够维持原有的符号。压缩态的上述特性为有损信道中的离散调制连续变量QKD提供了显著的优势。

另一方面，对高斯调制来说，压缩态具有更低的量子噪声。由压缩态中正交分量的分布可以得出，被压缩分量的量子涨落标准差为

明显小于真空散粒噪声。即使经过信道损耗，其噪声也不会超过真空散粒噪声。由香农熵公式可以得出，使用压缩分量进行高斯调制可以获得更大的互信息。

本发明充分利用了平移压缩真空态的特性，对压缩分量进行高斯调制，对拉伸分量进行离散调制，提出了一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD方案。与之前的采用相干光的单一调制方案相比，本方案噪声更小，误码率更低，协议效率更高，传输距离更远，实现了更高的信道容量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统，包括发送方和接收方。

所述发送方和接收方通过量子信道和经典信道连接。

其中：所述量子信道用于传输信号光和同步光，所述经典信道用于传输经典光，进行基矢对比和后处理等操作。

所述发送方进行密钥序列的生成、量子态的制备和发送，与接收方进行基矢对比和后处理过程。

所述接收方对发送过来的量子态进行测量并记录数据，与发送方进行基矢对比和后处理过程。

所述发送方包括第一激光器、第一分束器、衰减器、可变光衰减器、光功率计、调制模块、发送端FPGA、发送端PC和波分复用器。

具体的，所述第一分束器为1∶99分束器，包括一个输入端口和两个输出端口，两个输出端口分别为大光比输出端口和小光比输出端口。

所述第一激光器具有同步输入端口和两个光输出端口。

所述发送端FPGA包括一个输入端口和两个输出端口；

所述调制模块包括控制端口、输入端口和输出端口；

所述波分复用器包括两个输入端口和一个输出端口；

所述第一激光器的一个光输出端口经过衰减器与第一分束器的输入端口连接，第一分束器的大光比输出端口与光功率计相连，其小光比输出端口通过可变光衰减器与调制模块的输入端口相连；所述发送端PC与发送端FPGA的输入端口相连，发送端FPGA的两个输出端口分别与第一激光器的同步输入端口、调制模块的控制端口相连；所述波分复用器的两个输入端口分别与调制模块的输出端口以及第一激光器的另一个光输出端口连接；波分复用器的输出端口通过量子信道与接收方连接。

具体的，在所述发送方中，发送端PC生成原始密钥序列和控制序列，发送给发送端FPGA，同时与接收方进行基矢对比和后处理等经典通信。所述发送端FPGA实现对第一激光器和调制模块的高速控制；所述第一激光器在发送端FPGA的触发下产生原始信号光脉冲和同步光脉冲。所述衰减器用于提供对原始信号光脉冲的初步衰减。所述第一分束器将光信号分为两路，一路强光通过大光比输出端口输出到光功率计进行光功率监测，另一路弱光通过小光比输出端口输出到可变光衰减器。所述可变光衰减器根据检测到的光功率对光脉冲信号进行衰减，使单个脉冲信号能量衰减到光子级别。所述调制模块在发送端FPGA的控制下对每一个光脉冲进行量子态调制，调制后的光脉冲量子态为平移压缩真空态。所述波分复用器对接收到的来自调制模块的信号光和第一激光器的同步光进行波分复用，发送到接收方。

所述接收方包括接收端PC、接收端FPGA、光电转换模块、波分解复用器、第二分束器、第三分束器、本地振荡产生模块、第一探测器、第二探测器和减法器；

具体的，所述波分解复用器包括一个输入端口和两个输出端口。所述光电转换模块包括一个输入端口和一个输出端口。所述接收端FPGA包括两个输入端口和一个输出端口。所述本地振荡产生模块包括两个输入端口和一个输出端口。所述第二分束器和第三分束器均为50∶50等比分束器。其中，第二分束器包括一个输入端口和两个输出端口，第三分束器包括两个输入端口和两个输出端口。

所述接收端PC一端与发送端PC通过经典信道相连，另一端与接收端FPGA的一个输入端口相连。所述接收端FPGA的另一个输入端口与所述光电转换模块的一个输出端口相连，接收端FPGA的输出端口与本地振荡产生模块的一个输入端口相连；所述波分解复用器的输入端口与发送方的波分复用器的输出端口连接，两个输出端口分别与第二分束器、第三分束器的输入端口连接。所述第二分束器的两个输出端口分别与所述光电转换模块的输入端口、本地振荡产生模块的另一个输入端口相连。所述第三分束器的另一个输入端口与本地振荡产生模块的光输出端口相连，两个输出端口分别与第一探测器和第二探测器相连。所述第一探测器、第二探测器均通过减法器与接收端PC相连。

具体的，在所述接收方中，波解分复用器对接收到的信号进行解调，解调出的信号光和同步光分别发送给第三分束器和第二分束器。所述第二分束器将一部分同步光分束后发送给光电转换模块，用于提供同步触发信号，将另一部分同步光分给本地震荡产生模块，用于检测偏振态。所述接收端FPGA通过其输入端口接收来自接收端PC的调制序列，在光电转换模块的控制触发信号作用下，通过本地震荡产生模块实现对光脉冲的同步调制。所述本地振荡产生模块通过检测同步光信号的偏振间接测量出信号光的偏振，根据此偏振结果调制出与信号光偏振和频率相同的本地振荡光。同时调制本地振荡光与信号光之间的相位，实现对所需测量的正交分量的选择。所述第三分束器接收来自本地振荡产生模块的本振光脉冲和波分解复用器的信号脉冲，使两束光脉冲进行干涉。所述第一探测器和第二探测器分别对第二分束器的两个输出端口的信号进行探测。所述减法器对两个探测器的输出电流强度进行减法运算，最终得到所测量脉冲信号的某一正交分量信息，将其发送给接收端PC。所述接收端PC记录下接收到的数据，与发送端PC通过经典通信的方式进行基矢对比、噪声分析和后处理等过程。

具体的，所述发送端FPGA和接收端FPGA为“Field Programmable Gate Array”，即现场可编程逻辑门阵列。

本发明还提供了一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：生成序列；位于发送方的发送端PC生成长度为n的三组序列{a_n}、{b_n}和{c_n}；其中，序列{a_n}和{b_n}为二进制随机序列，分别用于决定编码的正交分量和所编码的比特值；序列{c_n}为一组长度为n的随机变量，其取值的概率密度为：

其中：

其目的是对被压缩分量进行高斯调制，同时使两个正交分量的统计分布相一致；此外，位于接收方的接收端PC生成一组长度为n的二进制随机序列{d_n}，用于决定接收端所选取的测量基；

步骤二：量子态调制；发送端PC通过发送端FPGA控制调制模块对衰减过后的光脉冲进行量子态调制；先通过压缩机制调制出压缩真空态，完成基矢的选择，再通过平移机制调制出平移压缩真空态，完成比特的加载；由步骤一中生成的{a_n}、{b_n}和{c_n}序列来调制压缩态中的θ、

和

三个参数；序列和对应的调制参数值如下表所示：

发送方完成量子态调制后，将光脉冲发送给接收方。

步骤三：零差探测；接收方接收到量子信号后，根据生成的序列{d_n}来选择测量基进行零差探测；当d_n为0时，调制信号光与本振光的相对相位为0，此时本振光将对信号光的X₂分量进行放大，用于测量X₂分量；当d_n为1时，调制信号光与本振光的相对相位为π/2，此时本振光将对信号光的X₁分量进行放大，用于测量X₁分量；

步骤四：基矢对比；在完成一组信号的发送和测量后，发送方和接收方进行基矢对比，告知对方所采取的制备基和测量基；接收方根据发送方的基选择来确定每次测量结果所需要采取的成码方式；

步骤五：窃听检测；发送方随机地选取一半保留的结果用于窃听检测，并将这部分数据公开，接收方根据测量数据计算相应的“噪声”，若“噪声”高于阈值，则终止协议，重新从第一步开始；协议的安全性由海森堡不确定性原理所保证。

步骤六：后处理；发送端和接收端进行数据后处理，包括数据协调和和保密增强等步骤，最终得到安全密钥。

通过上述步骤，发送方完成量子态的制备，通过量子信道发送给接收方。接收方通过零差探测随机地选取一个正交分量进行测量。若测量到拉伸分量，则根据二进制的方式进行成码，而若测量到压缩分量，则根据高斯调制的方式进行成码。通信双方随后进行误码率检测、隐私放大和密钥提取等后处理过程，完成量子密钥分发。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统和方法，该方案充分利用了平移压缩真空态的特性，对压缩分量进行高斯调制，对拉伸分量进行离散调制。在高斯调制中，压缩态的被压缩分量具有更小的量子噪声，从而可以实现更高的互信息。在离散调制中，压缩态的被拉伸分量可以免疫一定传输距离的损耗影响，维持更低的误码率。与之前的采用相干光的单一调制方案相比，本方案噪声更小，误码率更低，协议效率更高，传输距离更远，实现了更高的信道容量。

附图说明

图1为本发明提供的QKD系统所调制的量子态在相空间中的示意图；

图2为本发明提供的QKD系统的发送方Alice结构框图；

图3为本发明提供的QKD系统的接收方Bob结构框图；

图4为本发明提供的QKD系统的结构框图；

图5为本发明提供的QKD方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图4所示，本发明提供了一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统，包括发送方Alice和接收方Bob。

所述发送方Alice和接收方Bob通过量子信道和经典信道连接。

其中：所述量子信道用于传输信号光和同步光，所述经典信道用于传输经典光，进行基矢对比和后处理等操作。

所述发送方Alice进行密钥序列的生成、量子态的制备和发送，与接收方Bob进行基矢对比和后处理过程。

所述接收方Bob对发送过来的量子态进行测量并记录数据，与发送方Alice进行基矢对比和后处理过程。

如图2所示，所述发送方Alice包括第一激光器、第一分束器BS1、衰减器Att、可变光衰减器VOA、光功率计、调制模块、发送端FPGA、发送端PC和波分复用器。

具体的，所述第一分束器BS1为1∶99分束器，包括一个输入端口1和两个输出端口2、3，两个输出端口2、3分别为大光比输出端口和小光比输出端口。

所述第一激光器具有同步输入端口1和两个光输出端口2、3。

所述发送端FPGA包括一个输入端口1和三个输出端口2、3；

所述调制模块包括控制端口1、输入端口2和输出端口3；

所述波分复用器包括两个输入端口1、2和一个输出端口3；

所述第一激光器的光输出端口2经过衰减器与第一分束器BS1的输入端口1连接，第一分束器的大光比输出端口2与光功率计相连，其小光比输出端口3通过可变光衰减器VOA与调制模块的输入端口2相连；所述发送端PC与发送端FPGA的输入端口1相连，发送端FPGA的两个输出端口2、3分别与第一激光器的同步输入端口1和调制模块的控制端口1相连；所述波分复用器的两个输入端口1、2分别与调制模块的输出端口3、第一激光器的光输出端口2连接；波分复用器的输出端口3通过量子信道与接收方连接。

具体的，在所述发送方Alice中，发送端PC生成原始密钥序列和控制序列，发送给发送端FPGA，同时与接收方进行经基矢对比和后处理等经典通信。所述发送端FPGA实现对第一激光器和调制模块的高速控制；所述第一激光器在发送端FPGA的触发下产生原始信号光脉冲和同步光脉冲。所述衰减器Att用于提供对原始信号光脉冲的初步衰减。所述第一分束器BS1将光信号分为两路，一路强光通过大光比输出端口输出到光功率计进行光功率监测，另一路弱光通过小光比输出端口输出到可变光衰减器VOA。所述可变光衰减器VOA根据检测到的光功率对光脉冲信号进行衰减，使单个脉冲信号能量衰减到光子级别。所述调制模块在发送端FPGA的控制下对每一个光脉冲进行量子态调制，调制后的光脉冲量子态为平移压缩真空态。所述波分复用器对接收到的来自调制模块的信号光和第一激光器的同步光进行波分复用，发送到接收方。

如图3所示，所述接收方Bob包括接收端PC、接收端FPGA、光电转换模块PD、波分解复用器、第二分束器BS2、第三分束器BS3、本地振荡产生模块、第一探测器、第二探测器和减法器；

具体的，所述波分解复用器包括一个输入端口1和两个输出端口2、3。所述光电转换模块PD包括一个输入端口1和一个输出端口2。所述接收端FPGA包括两个输入端口1、2和一个输出端口3。所述本地振荡产生模块包括两个输入端口1、2和一个输出端口3。所述第二分束器和第三分束器均为50：50等比分束器。其中，第二分束器包括一个输入端口1和两个输出端口2、3，第三分束器包括两个输入端口1、2和两个输出端口2、3。

所述接收端PC一端与发送端PC通过经典信道相连，另一端与接收端FPGA的一个输入端口1相连。所述接收端FPGA的另一输入端口2与所述光电转换模块PD的一个输出端口2相连，接收端FPGA的输出端口3与本地振荡产生模块的一个输入端口2相连；所述波分解复用器的输入端口1与发送方的波分复用器的输出端口3连接，两个输出端口2、3分别与第二分束器输入端口1和第三分束器的输入端口2连接。所述第二分束器的两个输出端口2、3分别与所述本地振荡产生模块的一个输入端口1和光电转换模块的一个输入端口1相连。所述第三分束器的另一个输入端口1与本地振荡产生模块的光输出端口3相连，两个输出端口3、4分别与第一探测器和第二探测器相连。所述第一探测器、第二探测器均通过减法器与接收端PC相连。

具体的，在所述接收方中，波解分复用器对接收到的信号进行解调，解调出的信号光和同步光分别发送给第三分束器和第二分束器。所述第二分束器将一部分同步光分束后发送给光电转换模块，用于提供同步触发信号，将另一部分同步光分给本地震荡产生模块，用于检测偏振态。所述接收端FPGA通过其输入端口1接收来自接收端PC的调制序列，在光电转换模块的触发信号作用下，通过本地震荡产生模块实现对光脉冲的同步调制。所述本地振荡产生模块通过检测同步光信号的偏振间接测量出信号光的偏振，根据此偏振结果调制出与信号光偏振和频率相同的本地振荡光；同时调制本地振荡光与信号光之间的相位，实现对所要测量的正交分量的选择。所述第三分束器接收来自本地振荡产生模块的本振光脉冲和波分解复用器的信号脉冲，使两束光脉冲进行干涉。所述第一探测器和第二探测器分别对第二分束器的两个输出端口的信号进行探测。所述减法器对两个探测器的输出电流强度进行减法运算，最终得到所测量脉冲信号的某一正交分量信息，将其发送给接收端PC。所述接收端PC记录下接收到的数据，与发送端PC通过经典通信的方式进行基矢对比、噪声分析和后处理等过程。

如图5所示，本实施例还提供了一种应用于上述QKD系统的基于压缩态的混合调制连续变量QKD方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：生成序列；位于发送方的发送端PC生成长度为n的三组序列{a_n}、{b_n}和{c_n}；其中，序列{a_n}和{b_n}为二进制随机序列，分别用于决定编码的正交分量和所编码的比特值；序列{c_n}为一组长度为n的随机变量，其取值的概率密度为：

其中：

其目的是对被压缩分量进行高斯调制，同时使两个正交分量的统计分布相一致；此外，位于接收方的接收端PC也生成一组长度为n的二进制随机序列{d_n}，用于决定接收端所选取的测量基。

步骤二：量子态调制；发送端PC通过发送端FPGA控制调制模块对衰减过后的光脉冲进行量子态调制；先通过压缩机制调制出压缩真空态，完成基矢的选择，再通过平移机制调制出平移压缩真空态，完成比特的加载。由步骤一中生成的{a_n}、{b_n}和{c_n}序列来调制压缩态中的θ、

和

三个参数。序列和对应的调制参数值如下表所示：

如图1所示，即为按照上述规则和过程，调制出的平移压缩真空态在相空间的示意图。图1a即为θ值为π时，对X₁分量进行离散调制，而对X₂分量进行高斯调制的量子态。图1b即为θ值为0时，对X₂分量进行离散调制，而对X₁分量进行高斯调制的量子态。

步骤三：零差探测；Bob接收到量子信号后，首先进行本地振荡光的制备。本地振荡模块对输入的同步光偏振进行测量，由此间接得到信号光的偏振信息。进一步，本地振荡产生模块根据测量的偏振信息，制备出与信号脉冲偏振相同、频率相同的本地振荡光。测量基的选择通过调制本振光与信号光的相对相位来完成。

具体的，根据干涉原理，当d_n为0时，本地振荡产生模块调制信号光与本振光的相对相位为0，此时本振光将对信号光的X₂分量进行放大，用于测量X₂分量；当d_n为1时，则调制信号光与本振光的相对相位为π/2，此时本振光将对信号光的X₁分量进行放大，用于测量X₁分量。

接收到的量子脉冲信号和调制好的本振光同时进入50：50第二分束器BS2的两个输入端口进行干涉，其输出光分别进入上下输出光路上的第一探测器、第二探测器；两个探测器的输出信号通过减法器运算后，输出包含有某一正交分量测量值的信号到接收端PC。

步骤四：基矢对比；在完成一组信号的发送和测量后，Alice和Bob进行基矢对比，告知对方所采取的制备基和测量基。Bob根据Alice的基选择来确定每次测量结果所需要采取的成码方式。若测量的分量为压缩分量，则根据高斯调制方式进行解码；若测量的分量为拉伸分量，则根据离散调制方式进行二进制的解码。

步骤五：窃听检测；发送方随机地选取一半保留的结果用于窃听检测，并将这部分数据公开，接收方根据测量数据计算相应的“噪声”，若“噪声”高于阈值，则终止协议，重新从第一步开始。协议的安全性由海森堡不确定性原理所保证。

步骤六：后处理；发送端和接收端进行数据后处理，包括数据协调和和保密增强等步骤，最终得到安全密钥。

通过上述步骤，发送方完成量子态的制备，通过量子信道发送给接收方。接收方通过零差探测随机地选取一个正交分量进行测量。若测量到拉伸分量，则根据二进制的方式进行成码，而若测量到压缩分量，则根据高斯调制的方式进行成码。通信双方随后进行误码率检测、隐私放大和密钥提取等后处理过程，完成量子密钥分发。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (6)

1.一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD系统，其特征在于，包括发送方和接收方；所述发送方和接收方通过量子信道和经典信道连接；其中：所述量子信道用于传输信号光和同步光，所述经典信道用于传输经典光，进行基矢对比及后处理；

所述发送方进行密钥序列的生成、量子态的制备和发送，与接收方进行基矢对比和后处理过程；

所述接收方对发送过来的量子态进行测量并记录数据，与发送方进行基矢对比和后处理过程；

所述发送方包括第一激光器、第一分束器、衰减器、可变光衰减器、光功率计、调制模块、发送端FPGA、发送端PC和波分复用器；

所述接收方包括接收端PC、接收端FPGA、光电转换模块、波分解复用器、第二分束器、第三分束器、本地振荡产生模块、第一探测器、第二探测器和减法器；

在所述接收方中，波解分复用器对接收到的信号进行解调，解调出的信号光和同步光分别发送给第三分束器和第二分束器；

所述发送方的发送端PC与所述接收方的接收端PC通过经典信道相连；所述发送方的波分复用器与所述接收方的波分解复用器通过量子信道相连；

在所述发送方中，所述第一激光器具有同步输入端口和两个光输出端口；所述发送端FPGA包括一个输入端口和两个输出端口；所述调制模块包括控制端口、输入端口和输出端口；所述波分复用器包括两个输入端口和一个输出端口；所述第一分束器包括一个输入端口和两个输出端口；

所述第一激光器的一个光输出端口经过衰减器与第一分束器的输入端口连接，第一分束器的一个输出端口与光功率计相连，另一个输出端口通过可变光衰减器与调制模块的输入端口相连；所述发送端PC与发送端FPGA的输入端口相连，发送端FPGA的两个输出端口分别与第一激光器的同步输入端口、调制模块的控制端口相连；所述波分复用器的两个输入端口分别与调制模块的输出端口以及第一激光器的另一个光输出端口连接；波分复用器的输出端口通过量子信道与接收方连接；

在所述接收方中，所述第二分束器包括一个输入端口和两个输出端口，第三分束器包括两个输入端口和两个输出端口；所述波分解复用器包括一个输入端口和两个输出端口；所述光电转换模块包括一个输入端口和一个输出端口；所述接收端FPGA包括两个输入端口和一个输出端口；所述本地振荡产生模块包括两个输入端口和一个输出端口；

所述接收端PC一端与发送端PC通过经典信道相连，另一端与接收端FPGA的一个输入端口相连；所述接收端FPGA的另一个输入端口与所述光电转换模块的一个输出端口相连，接收端FPGA的输出端口与本地振荡产生模块的一个输入端口相连；所述波分解复用器的输入端口与发送方的波分复用器的输出端口连接，两个输出端口分别与第二分束器、第三分束器的输入端口连接；所述第二分束器的两个输出端口分别与所述光电转换模块的输入端口、本地振荡产生模块的另一个输入端口相连；所述第三分束器的另一个输入端口与本地振荡产生模块的光输出端口相连，两个输出端口分别与第一探测器和第二探测器相连；所述第一探测器、第二探测器均通过减法器与接收端PC相连；

所述第二分束器将一部分同步光分束后发送给光电转换模块，用于提供同步触发信号，将另一部分同步光分给本地震荡产生模块，用于检测偏振态；

所述接收端FPGA通过其输入端口接收来自接收端PC的调制序列，在光电转换模块的控制触发信号作用下，通过本地震荡产生模块实现对光脉冲的同步调制；

所述本地振荡产生模块通过检测同步光信号的偏振间接测量出信号光的偏振，根据此偏振结果调制出与信号光偏振和频率相同的本地振荡光，并调制本地振荡光与信号光之间的相位，选择所要测量的正交分量；

所述第三分束器接收来自本地振荡产生模块的本振光脉冲和波分解复用器的信号脉冲，使两束光脉冲进行干涉；

所述第一探测器和第二探测器分别对第二分束器的两个输出端口的信号进行探测；所述减法器对两个探测器的输出电流强度进行减法运算，获得所测量脉冲信号的某一正交分量信息，将其发送给接收端PC；

所述接收端PC记录下接收到的数据，与发送端PC通过经典通信的方式进行基矢对比、噪声分析及后处理操作；

压缩态为平移压缩真空态，其表达式为|ψ>＝|α,ξ>＝D(α)S(ξ)|0>，其中，S(ξ)是压缩算符，D(α)为平移算符，均是对相空间中正交分量涨落区域的操作；ξ＝re^iθ,为压缩参量，其中，0≤r＜∞，称为压缩幅，用于描述压缩态的压缩程度；0≤θ＜2π，用于描述在相空间中的压缩方向；α＝X₁+iX₂，其为相平面中的一个复数，用于描述平移算符对涨落区域的平移量；X₁和X₂分别代表该平面中的横坐标和纵坐标；

混合调制，即对压缩态同时进行高斯调制和离散调制，以X₁进行离散调制，X₂进行高斯调制为例，得出X₁的统计分布为：

其中：

φ₁(X₁)和φ₂(X₁)分别为X₁编码比特为0和1时的概率分布；X₁的统计分布形式为两个方差相同，均值不同的高斯分布的叠加；则相应的，以X₁的概率分布F(X₁)为概率密度函数来对X₂的数值进行调制，使两个分量具有相同统计分布；与此同时，高斯调制的密钥信息也以高斯随机数的形式加载到X₂上；

所述混合调制连续变量QKD系统的实现包括以下步骤：

步骤一：生成序列；位于发送方的发送端PC生成长度为n的三组序列{a_n}、{b_n}和{c_n}；其中，序列{a_n}和{b_n}为二进制随机序列，分别用于决定编码的正交分量和所编码的比特值；序列{c_n}为一组长度为n的随机变量，其取值的概率密度为：

其中：

φ₁(X)和φ₂(X)分别为X编码比特为0和1时的概率分布；其目的是对被压缩分量进行高斯调制，同时使两个正交分量的统计分布相一致；此外，位于接收方的接收端PC生成一组长度为n的二进制随机序列{d_n}，用于决定接收端所选取的测量基；

步骤二：量子态调制；发送端PC通过发送端FPGA控制调制模块对衰减过后的光脉冲进行量子态调制；先通过压缩机制调制出压缩真空态，完成基矢的选择，再通过平移机制调制出平移压缩真空态，完成比特的加载；由步骤一中生成的{a_n}、{b_n}和{c_n}序列来调制压缩态中的θ、

和

三个参数，

和

分别为涨落区域在相空间中沿X₁和X₂坐标轴平移的数值；当θ值为π时，对X₁分量进行离散调制，则将涨落区域沿X₁方向平移

以完成比特的加载，而对X₂分量进行高斯调制的量子态；当θ值为0时，对X₂分量进行离散调制，则将涨落区域沿X₂方向平移

以完成比特的加载，而对X₁分量进行高斯调制的量子态；

发送方完成量子态调制后，将光脉冲发送给接收方；

步骤三：零差探测；接收方接收到量子信号后，根据生成的序列{d_n}来选择测量基进行零差探测；当d_n为0时，调制信号光与本振光的相对相位为0，此时本振光将对信号光的X₂分量进行放大，用于测量X₂分量；当d_n为1时，调制信号光与本振光的相对相位为π/2，此时本振光将对信号光的X₁分量进行放大，用于测量X₁分量；

步骤四：基矢对比；在完成一组信号的发送和测量后，发送方和接收方进行基矢对比，告知对方所采取的制备基和测量基；接收方根据发送方的基选择来确定每次测量结果所需要采取的成码方式；若测量的分量为压缩分量，则根据高斯调制方式进行解码；若测量的分量为拉伸分量，则根据离散调制方式进行二进制的解码；

步骤五：窃听检测；发送方随机地选取一半保留的结果用于窃听检测，并将这部分数据公开，接收方根据测量数据计算相应的“噪声”，若“噪声”高于阈值，则终止协议，重新从第一步开始；

步骤六：后处理；发送端和接收端进行数据后处理，最终得到安全密钥；其中，数据后处理包括数据协调和和保密增强步骤。

2.根据权利要求1所述的混合调制连续变量QKD系统，其特征在于，所述第一分束器为1:99分束器；两个所述输出端口分别为大光比输出端口和小光比输出端口。

3.根据权利要求2所述的混合调制连续变量QKD系统，其特征在于，在所述发送方中，发送端PC生成原始密钥序列和控制序列，发送给发送端FPGA，并与接收方进行经典通信；

所述发送端FPGA对第一激光器、调制模块进行控制；所述第一激光器在发送端FPGA的触发下产生原始信号光脉冲和同步光脉冲；

所述衰减器用于提供对原始信号光脉冲的初步衰减；

所述第一分束器将光信号分为两路，一路强光通过大光比输出端口输出到光功率计进行光功率监测，另一路弱光通过小光比输出端口输出到可变光衰减器；

所述可变光衰减器根据检测到的光功率对光脉冲信号进行衰减，使单个脉冲信号能量衰减到光子级别；

所述调制模块在发送端FPGA的控制下对每一个光脉冲进行量子态调制，调制后的光脉冲量子态为平移压缩真空态；

所述波分复用器对接收到的来自调制模块的信号光和第一激光器的同步光进行波分复用，发送到接收方。

4.根据权利要求1所述的混合调制连续变量QKD系统，其特征在于，所述第二分束器和第三分束器均为50:50等比分束器。

5.一种基于压缩态的混合调制连续变量QKD方法，其特征在于，所述混合调制连续变量QKD方法应用于如权利要求1～4任一项所述混合调制连续变量QKD系统；所述方法包括以下步骤：

步骤一：生成序列；位于发送方的发送端PC生成长度为n的三组序列{a_n}、{b_n}和{c_n}；其中，序列{a_n}和{b_n}为二进制随机序列，分别用于决定编码的正交分量和所编码的比特值；序列{c_n}为一组长度为n的随机变量，其取值的概率密度为：

其中：

φ₁(X)和φ₂(X)分别为X编码比特为0和1时的概率分布；其目的是对被压缩分量进行高斯调制，同时使两个正交分量的统计分布相一致；其中，0≤r＜∞，称为压缩幅，用于描述压缩态的压缩程度；位于接收方的接收端PC生成一组长度为n的二进制随机序列{d_n}，用于决定接收端所选取的测量基；

步骤二：量子态调制；发送端PC通过发送端FPGA控制调制模块对衰减过后的光脉冲进行量子态调制；先通过压缩机制调制出压缩真空态，完成基矢的选择，再通过平移机制调制出平移压缩真空态，完成比特的加载；由步骤一中生成的{a_n}、{b_n}和{c_n}序列来调制压缩态中的θ、

和

三个参数，

和

分别为涨落区域在相空间中沿X₁和X₂坐标轴平移的数值；0≤θ＜2π，用于描述在相空间中的压缩方向；当θ值为π时，对X₁分量进行离散调制，则将涨落区域沿X₁方向平移

以完成比特的加载，而对X₂分量进行高斯调制的量子态；当θ值为0时，对X₂分量进行离散调制，则将涨落区域沿X₂方向平移

以完成比特的加载，而对X₁分量进行高斯调制的量子态；

发送方完成量子态调制后，将光脉冲发送给接收方；

步骤三：零差探测；接收方接收到量子信号后，根据生成的序列{d_n}来选择测量基进行零差探测；当d_n为0时，调制信号光与本振光的相对相位为0，此时本振光将对信号光的X₂分量进行放大，用于测量X₂分量；当d_n为1时，调制信号光与本振光的相对相位为π/2，此时本振光将对信号光的X₁分量进行放大，用于测量X₁分量；

步骤四：基矢对比；在完成一组信号的发送和测量后，发送方和接收方进行基矢对比，告知对方所采取的制备基和测量基；接收方根据发送方的基选择来确定每次测量结果所需要采取的成码方式；若测量的分量为压缩分量，则根据高斯调制方式进行解码；若测量的分量为拉伸分量，则根据离散调制方式进行二进制的解码；

步骤五：窃听检测；发送方随机地选取一半保留的结果用于窃听检测，并将这部分数据公开，接收方根据测量数据计算相应的“噪声”，若“噪声”高于阈值，则终止协议，重新从第一步开始；

步骤六：后处理；发送端和接收端进行数据后处理，最终得到安全密钥；其中，数据后处理包括数据协调和和保密增强步骤。

6.根据权利要求5所述的混合调制连续变量QKD方法，其特征在于，在所述步骤五中，协议的安全性由海森堡不确定性原理所保证。

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