CN112804056A - 连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置及方法 - Google Patents

连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置及方法，涉及量子保密通信技术领域，该方法包括：大型Sagnac环、Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块；所述大型Sagnac环分别与Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块相连接；所述Alice调制模块和Bob调制模块分别包括小型Sagnac环、光纤延时线、相位调制器以及随机数生成模块；所述Charlie信号产生和探测模块包括光源、环形器以及两个零差探测器。本发明能够提高连续变量测量设备无关量子密钥分发系统的稳定度，降低其实现难度。

Description

连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置及方法
技术领域
本发明涉及量子保密通信技术领域，具体地，涉及一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置及方法。
背景技术
在信息技术高度发达的当今，信息安全问题备受关注。量子科技中的量子密钥分发提供了一种安全有效的密钥传输方式，可为通信双方提供信息安全保障。连续变量量子密钥分发技术是量子密钥分发技术中的一种，它采用易实施的相干检测技术，易集成化的光学元器件，因而在成本以及与经典光网络融合方面具有优势，是量子密钥分发实用化进程中的关键性技术之一。
为了能够确保探测端的实际安全性，人们提出了连续变量测量设备无关量子密钥分发协议，该协议将探测模块置于不可信的第三方，可彻底排除探测端漏洞，即便探测端被攻击也不会威胁整体系统的安全性。然而，该协议相较于单路量子密钥分发协议，引入了通信第三方，因此其实际实现难度更大。原始方案在两个发送端分别用一个光源产生光信号，并利用强度调制器实现高斯调制(S.Pirandola,C Ottaviani,et al,“High-ratemeasurement-device-independent quantum cryptography”,2015,9(6):397.)。然而，该方案由于采用强度调制器，其偏置电压会随时间发生漂移，严重影响系统性能，且稳偏装置会增加系统的复杂性。
近期提出的往返式的测量设备无关实现方案(H.Yin,W.Zhu,Y.Fu,“Phase self-aligned continuous-variable measurement-device-independent quantum keydistribution”,Scientific Reports,2019,9:49.)，虽然去除了强度调制器偏置漂移的影响，但由于往返式两侧光程并不对应，且光程会发生缓慢变化，需要精确控制两侧光程的光延迟。
综上，当前连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置和方法结构复杂，且稳定性不高，不利于连续变量测量设备无关量子密钥分发实用化系统研制。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置及方法，旨在解决目前连续变量量子测量设备无关量子密钥分发实现难度大，受强度调制器偏置漂移影响以及光程变化导致的稳定性差的问题。
根据本发明提供的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置及方法，所述方案如下：
第一方面，提供了一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置，所述装置包括：
大型Sagnac环、Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块；
所述大型Sagnac环分别与Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块相连接；
所述Alice调制模块和Bob调制模块分别包括小型Sagnac环、光纤延时线、相位调制器以及随机数生成模块；
所述Charlie信号产生和探测模块包括光源、环形器以及两个零差探测器；
Alice调制模块和Bob调制模块中的随机数生成模块生成随机数电压信号，将随机数电压信号作为相位调制器的调制信号，并借助小型Sagnac环实现高斯调制；
Charlie信号产生与探测模块中光源输出光脉冲信号经过环形器后，通过50：50的分束器输入到大型Sagnac环中，分离为顺时针传输和逆时针传输的两个光脉冲信号，当两个光脉冲信号分别到达Bob调制模块和Alice调制模块时进行调制，调制后的光脉冲信号同时回到50：50的分束器发生干涉，干涉结果输出小型Sagnac环后进入Charlie信号产生与探测模块，并通过两个零差探测器，实现相干检测。
优选的，所述大型Sagnac环的输入端与输出端均连接有Charlie信号产生与探测模块，且所述大型Sagnac环的环内还包括Alice调制模块和Bob调制模块。
优选的，所述Alice调制模块和Bob调制模块中，以及随机数生成模块的输出端均连接相位调制器射频端口。
优选的，所述Charlie信号产生与探测模块中，以及环形器的第一接口连接光源，所述环形器的第二接口连接于大型Sagnac环的输入口；
所述环形器的第三接口连接有第一平衡零差探测器，且所述大型Sagnac环的输出口连接有第二平衡零差检测器。
第二方面，提供了一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现方法，所述系统包括：
步骤1：搭建连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置，包括大型Sagnac环、Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块；
步骤2：Alice调制模块和Bob调制模块中的随机数生成模块生成随机数电压信号，将随机数电压信号作为相位调制器的调制信号，并借助小型Sagnac环实现高斯调制；
步骤3：Charlie信号产生与探测模块中光源输出光脉冲信号经过环形器后，通过50：50的分束器输入到大型Sagnac环中，分离为顺时针传输和逆时针传输的两个光脉冲信号，当两个光脉冲信号分别到达Bob调制模块和Alice调制模块时进行调制，调制后的光脉冲信号同时回到50：50的分束器发生干涉，干涉结果输出小型Sagnac环后进入Charlie信号产生与探测模块，并通过第一平衡零差探测器和第二平衡零差探测器，实现相干检测。
优选的，所述Alice调制模块中的随机数生成模块，输出调制电压序列为：
Figure BDA0002930049310000031
Figure BDA0002930049310000032
所述Bob调制模块中的随机数生成模块，输出调制电压序列为：
Figure BDA0002930049310000033
Figure BDA0002930049310000034
其中，
Figure BDA0002930049310000035
和
Figure BDA0002930049310000036
分别为光脉冲顺时针通过和逆时针通过相位调制器时的调制电压，该值为均匀分布随机数电压与瑞利分布随机数反余弦之和与差，即：
Figure BDA0002930049310000037
Figure BDA0002930049310000038
其中，
Figure BDA0002930049310000039
为相位调制器半波电压，变量U服从[0，1]之间的均匀分布，变量R服从瑞利分布。
优选的，未调制的光脉冲信号经过相位调制器调制后，所述小型Sagnac环输出的光脉冲信号光场为：
Figure BDA00029300493100000310
其中，α为初始未调制的光脉冲信号，可见最终的光脉冲信号光场振幅服从瑞利分布，相位服从均匀分布，正则分量服从高斯分布，实现高斯调制。
优选的，两路高斯调制光脉冲信号到达50：50的分束器干涉之后，所述大型Sagnac环输出的光脉冲信号光场为：
Figure BDA00029300493100000311
其中，E2(t)，E3(t)为调制后服从高斯分布的光脉冲信号光场，E1(t)，E4(t)输入Charlie信号产生与探测模块中的第一平衡零差探测器和第二平衡零差探测器进行相干检测，完成连续变量测量设备无关量子密钥分发通信过程。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过一个大型Sagnac环连接通信三方，既保障了Alice调制模块和Bob调制模块调制光脉冲信号同时到达接收端完成干涉，又仅需一台激光器产生发送双方所需光脉冲信号以及接收方所需本振光，增加了系统的稳定度；
2、本发明通过小型Sagnac环以及相位调制器组合的方式实现发送方的高斯调制，既保障了顺时针和逆时针传输的光脉冲信号均能通过，同时也简化了发送方的硬件结构。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的一种基于Sagnac环的连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置；
图2为实施例中的一种双方调制信号所需满足的时序图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置，参照图1所示，该装置包括大型Sagnac环、Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块；其中，Alice调制模块和Bob调制模块在大型Sagnac环的环内，大型Sagnac环分别与Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块相连接，且Charlie信号产生与探测模块均连接在大型Sagnac环的输入端与输出端。Alice调制模块和Bob调制模块分别包括小型Sagnac环、光纤延时线、相位调制器以及随机数生成模块，Charlie信号产生和探测模块包括光源、环形器以及两个零差探测器。Alice调制模块和Bob调制模块中，以及随机数生成模块的输出端均连接相位调制器射频端口。
Alice调制模块和Bob调制模块中的随机数生成模块生成随机数电压信号，将随机数电压信号作为相位调制器的调制信号，并借助小型Sagnac环实现高斯调制。Charlie信号产生与探测模块中光源输出光脉冲信号经过环形器后，通过50：50的分束器输入到大型Sagnac环中，分离为顺时针传输和逆时针传输的两个光脉冲信号，当两个光脉冲信号分别到达Bob调制模块和Alice调制模块时进行调制，调制后的光脉冲信号同时回到50：50的分束器发生干涉，干涉结果输出小型Sagnac环后进入Charlie信号产生与探测模块，并通过两个零差探测器，实现相干检测。
本发明实施例还提供了一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现方法，该方法包括：
搭建连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置，包括大型Sagnac环、Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块。
Alice调制模块和Bob调制模块中的随机数生成模块生成随机数电压信号，将随机数电压信号作为相位调制器的调制信号，并借助小型Sagnac环实现高斯调制。
Charlie信号产生与探测模块中光源输出光脉冲信号经过环形器后，通过50：50的分束器输入到大型Sagnac环中，分离为顺时针传输和逆时针传输的两个光脉冲信号，当两个光脉冲信号分别到达Bob调制模块和Alice调制模块时进行调制，调制后的光脉冲信号同时回到50：50的分束器发生干涉，干涉结果输出小型Sagnac环后进入Charlie信号产生与探测模块，并通过第一平衡零差探测器和第二平衡零差探测器，实现相干检测。
本发明一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现方法的实施原理如下：
未调制的光脉冲信号输入到大型Sagnac环中后分为沿顺时针传输的光脉冲信号和沿逆时针传输的光脉冲信号，它们都将经过Alice调制模块和Bob调制模块。为了使得Alice调制模块和Bob调制模块均能够分别将未调制的光脉冲信号转化为高斯调制的光脉冲信号，双方加载在相位调制器上的调制电压时序如图2所示。具体说来，当沿顺时针传输的光脉冲信号到达Alice调制模块以及逆时针光脉冲信号到达Bob调制模块时，Alice调制模块以及Bob调制模块均不进行调制，使光脉冲信号通过即可。而当沿顺时针传输的光脉冲信号到达Bob调制模块以及逆时针光脉冲信号到达Alice调制模块时，Alice调制模块中随机数生成模块，输出调制电压序列为：
Figure BDA0002930049310000051
Bob调制模块中的随机数生成模块，输出调制电压序列为：
Figure BDA0002930049310000052
Figure BDA0002930049310000053
其中，
Figure BDA0002930049310000054
和
Figure BDA0002930049310000055
分别为光脉冲顺时针通过和逆时针通过相位调制器时的调制电压，该值为均匀分布随机数电压与瑞利分布随机数反余弦之和与差，即：
Figure BDA0002930049310000061
Figure BDA0002930049310000065
其中，
Figure BDA0002930049310000062
为相位调制器半波电压(相位调制器1，2半波电压可不同)，变量U服从[0，1]之间的均匀分布，变量R服从瑞利分布。
未调制的光脉冲信号经过相位调制器调制后，小型Sagnac环输出的光脉冲信号光场为：
Figure BDA0002930049310000063
其中，α为初始未调制的光脉冲信号，可见最终的光脉冲信号光场振幅服从瑞利分布，相位服从均匀分布，正则分量服从高斯分布，实现高斯调制。两路高斯调制光脉冲信号到达50：50的分束器干涉之后，大型Sagnac环输出的光脉冲信号光场为：
Figure BDA0002930049310000064
其中，E2(t)，E3(t)为调制后服从高斯分布的光脉冲信号光场，E1(t)，E4(t)输入Charlie信号产生与探测模块中的第一平衡零差探测器和第二平衡零差探测器进行相干检测，完成连续变量测量设备无关量子密钥分发通信过程。
本发明实施例提供了一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置及方法，通过一个大型Sagnac环连接通信三方，既保障了Alice调制模块和Bob调制模块调制光脉冲信号同时到达接收端完成干涉，又仅需一台激光器产生发送双方所需光脉冲信号以及接收方所需本振光，增加了系统的稳定度；通过小型Sagnac环以及相位调制器组合的方式实现发送方的高斯调制，既保障了顺时针和逆时针传输的光脉冲信号均能通过，同时也简化了发送方的硬件结构。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置，其特征在于，所述装置包括：大型Sagnac环、Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块；
所述大型Sagnac环分别与Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块相连接；
所述Alice调制模块和Bob调制模块分别包括小型Sagnac环、光纤延时线、相位调制器以及随机数生成模块；
所述Charlie信号产生和探测模块包括光源、环形器以及两个零差探测器；
Alice调制模块和Bob调制模块中的随机数生成模块生成随机数电压信号，将随机数电压信号作为相位调制器的调制信号，并借助小型Sagnac环实现高斯调制；
Charlie信号产生与探测模块中光源输出光脉冲信号经过环形器后，通过50：50的分束器输入到大型Sagnac环中，分离为顺时针传输和逆时针传输的两个光脉冲信号，当两个光脉冲信号分别到达Bob调制模块和Alice调制模块时进行调制，调制后的光脉冲信号同时回到50：50的分束器发生干涉，干涉结果输出小型Sagnac环后进入Charlie信号产生与探测模块，并通过两个零差探测器，实现相干检测。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述大型Sagnac环的输入端与输出端均连接有Charlie信号产生与探测模块，且所述大型Sagnac环的环内还包括Alice调制模块和Bob调制模块。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述Alice调制模块和Bob调制模块中，以及随机数生成模块的输出端均连接相位调制器射频端口。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述Charlie信号产生与探测模块中，以及环形器的第一接口连接光源，所述环形器的第二接口连接于大型Sagnac环的输入口；
所述环形器的第三接口连接有第一平衡零差探测器，且所述大型Sagnac环的输出口连接有第二平衡零差检测器。
5.一种连续变量测量设备无关量子密钥分发实现方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：搭建连续变量测量设备无关量子密钥分发实现装置，包括大型Sagnac环、Alice调制模块、Bob调制模块、Charlie信号产生和探测模块；
步骤2：Alice调制模块和Bob调制模块中的随机数生成模块生成随机数电压信号，将随机数电压信号作为相位调制器的调制信号，并借助小型Sagnac环实现高斯调制；
步骤3：Charlie信号产生与探测模块中光源输出光脉冲信号经过环形器后，通过50：50的分束器输入到大型Sagnac环中，分离为顺时针传输和逆时针传输的两个光脉冲信号，当两个光脉冲信号分别到达Bob调制模块和Alice调制模块时进行调制，调制后的光脉冲信号同时回到50：50的分束器发生干涉，干涉结果输出小型Sagnac环后进入Charlie信号产生与探测模块，并通过第一平衡零差探测器和第二平衡零差探测器，实现相干检测。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述Alice调制模块中的随机数生成模块，输出调制电压序列为：
Figure FDA0002930049300000021
Figure FDA0002930049300000022
所述Bob调制模块中的随机数生成模块，输出调制电压序列为：
Figure FDA0002930049300000023
Figure FDA0002930049300000024
其中，
Figure FDA0002930049300000025
和
Figure FDA0002930049300000026
分别为光脉冲顺时针通过和逆时针通过相位调制器时的调制电压，该值为均匀分布随机数电压与瑞利分布随机数反余弦之和与差，即：
Figure FDA0002930049300000027
Figure FDA0002930049300000028
其中，
Figure FDA0002930049300000029
为相位调制器半波电压，变量U服从[0,1]之间的均匀分布，变量R服从瑞利分布。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，未调制的光脉冲信号经过相位调制器调制后，所述小型Sagnac环输出的光脉冲信号光场为：
Figure FDA00029300493000000210
其中，α为初始未调制的光脉冲信号，可见最终的光脉冲信号光场振幅服从瑞利分布，相位服从均匀分布，正则分量服从高斯分布，实现高斯调制。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，两路高斯调制光脉冲信号到达50：50的分束器干涉之后，所述大型Sagnac环输出的光脉冲信号光场为：
Figure FDA00029300493000000211
其中，E2(t),E3(t)为调制后服从高斯分布的光脉冲信号光场，E1(t),E4(t)输入Charlie信号产生与探测模块中的第一平衡零差探测器和第二平衡零差探测器进行相干检测，完成连续变量测量设备无关量子密钥分发通信过程。
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