CN112887091A - 一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统。本发明采用四态调制，但不要求信号光和本振光之间的相位严格满足0、
Figure DDA0002956300790000011
π、
Figure DDA0002956300790000012
的角度，而是允许在成码的一段时间内存在一个额外的固定相位差
Figure DDA0002956300790000013
并通过拟牛顿算法给出无条件安全的成码率估计。此外，本系统经由接收端来发送本振光可使本振光避免经历量子信道从而避免遭受额外的攻击，以获得更高的安全性。

Description

一种本地本振的四态连续变量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技术领域，尤其涉及一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统。
背景技术
量子密钥分发是量子信息领域中最成熟的一个方向，相较于传统密码学依赖于算法计算复杂度的编码方式，量子密钥分发技术所具备的无条件安全优势由其量子力学特性所保证，因此具有广泛的应用前景。进一步来说，量子密钥分发主要可划分为离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发，前者以BB84协议为典型案例，将信息编码在单光子的自由度上，故一次只可携带一比特量子信息，且单光子信号与信道噪声难以分辨将导致成码率的降低，同时单光子脉冲的制备也较为复杂；连续变量量子密钥分发则是利用电磁场(也即光场)的一对正交算符进行编码，一次可以携带超过一比特的信息，并且通过现有的经典光通信设备就可以完成制备并进行检测。
目前，连续变量量子密钥分发协议中应用较广泛的是采用高斯调制相干态的连续变量量子密钥分发协议，但该协议的信号调制过程和密钥提取过程的复杂度较高，且在较远距离的通信中信息传输效率将下降，限制了密钥的传输距离。
在文献“Asymptotic SecurityAnalysis ofDiscrete-Modulated Continuous-Variable”中，提供了一种四态调制的连续变量量子密钥分发方法。然而，该方法所描述的四态调制要求信号光和本振光之间的相位严格满足0、
Figure BDA0002956300770000011
π、
Figure BDA0002956300770000012
的角度，这将增加实际制备过程中操作的复杂度；同时，该方法的成码率估计采用凸优化算法数值模拟的方法，该方法计算过程将耗费较长的时间，在实用的过程中将导致效率的降低，仍有待优化的空间。除此之外，在量子密钥分发的技术领域中，信号光及本振光多采用都由发送端发送和制备的方案，本振光在不安全的量子信道中传输时难以避免地会受到窃听以及攻击，降低了系统的安全性。
发明内容
发明目的：针对现有技术的缺陷，本发明提供一套本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法及系统。本发明采用四态调制，但不要求信号光和本振光之间的相位严格满足0、
Figure BDA0002956300770000021
π、
Figure BDA0002956300770000022
的角度，而是允许在成码的一段时间内存在一个额外的固定相位差
Figure BDA0002956300770000023
并通过拟牛顿算法给出无条件安全的成码率估计。此外，本系统经由接收端来发送本振光可使本振光避免经历量子信道从而避免遭受额外的攻击，以获得更高的安全性。
技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：
一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法，该方法采用四态协议并采用相位编码，所述方法包括以下步骤：
(1)发送端等概率且随机地制备并发送只在相位上有所区别的四种信号光以对应四种信号态，并采用相位编码方式将所发送的信号光编码为发送端原始密钥，所述四种信号光满足以下条件：以任意一种信号光为基准信号光，其余三种信号光与基准信号光之间的相位差分别为90°、180°、270°；
(2)接收端接收信号光后进行偏振补偿，然后将补偿后的信号光分束为第一信号光和第二信号光；接收端制备本振光，本振光在一轮成码时间内与相应基准信号光保持固定相位差
Figure BDA0002956300770000024
接收端将本振光分束为第一本振光和第二本振光，并在第一本振光中引入
Figure BDA0002956300770000025
的相位增量，然后使第一本振光与第一信号光发生干涉，使第二本振光与第二信号光发生干涉，最后通过分别对两组干涉后的叠加光进行外差测量，得到一对光场正交分量，即正则动量p和正则坐标q；
(3)接收端将测得的q和p分别作为实部和虚部形成一个复数，然后按照与发送端相同的编码方式将所述复数编码为接收端原始密钥；
(4)在得到原始密钥后，通过拟牛顿算法进行数值模拟，给出无条件安全的成码率的估计；在无条件安全的成码率大于零的基础上，发送端和接收端随机选取部分密钥公布以进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终的安全密钥。
进一步的，所述步骤(1)中，发送端将信号光编码为发送端原始密钥的方法包括以下步骤：记发送端发送的四种信号光的相位分别为
Figure BDA0002956300770000026
然后将所述四个相位编码为四个经典比特x1至x4。
进一步的，所述步骤(3)中，将所述复数编码为接收端原始密钥的具体步骤包括：
将接收端将测得的q和p分别作为实部和虚部而形成的复数记为C＝q+ip＝reia，r和a分别为C的模和幅角，然后按照以下规则提取密钥：
②
Figure BDA0002956300770000031
且r≥ε，取x1；
②
Figure BDA0002956300770000032
且r≥ε，取x2；
③
Figure BDA0002956300770000033
且r≥ε，取x3；
④
Figure BDA0002956300770000034
且r≥ε，取x4；
⑤a为其余结果，取⊥。
另外，本发明还提出一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统，用于实现所述的方法，该系统包括发送端和接收端，具体来说：
所述发送端包括：信号光发送模块、信号光强度调制模块和信号光相位调制模块；其中，信号光发送模块发送连续激光，信号光强度调制模块将连续激光制备为符合信号光条件的弱相干光脉冲，信号光相位调制模块将弱相干光脉冲制备为所述四种信号光；
所述接收端包括：本振光制备模块、信号光偏振补偿模块以及探测模块；其中，本振光制备模块用于制备符合本振光条件的强经典光脉冲，信号光偏振补偿模块用于对接收到的信号光进行偏振补偿，探测模块用于将本振光分束为第一本振光和第二本振光，并在第一本振光中引入
Figure BDA0002956300770000035
的相位增量，然后使第一本振光与第一信号光发生干涉，使第二本振光与第二信号光发生干涉，最后通过对两组干涉后的叠加光进行外差测量，得到正则动量p和正则坐标q。
进一步的，所述发送端和接收端分别设置后处理模块，所述后处理模块用于控制本端各模块实现相应功能，以及与另一端的后处理模块进行成码率估计、经典纠错、错误验证和隐私放大，最后提取安全密钥。
作为所述系统的一种实现方式，所述发送端包括依次级联的第一连续激光器、第一强度调制器和相位调制器；第一连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振稳定的连续激光；第一强度调制器将强度一定的连续激光进行斩波，得到原始信号光脉冲；相位调制器对原始信号光脉冲进行相位调制，制备出所述信号光；
接收端包括动态偏振控制器、第一至第四分束器、第一至第四探测器、第一差分放大器、第二差分放大器、第二连续激光器和第二强度调制器，；其中，第二连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振稳定的连续激光；第二强度调制器对连续激光进行斩波，得到本振光脉冲；动态偏振控制器对信号光脉冲在光纤传输中产生的偏振漂移进行补偿；
第一分束器将通过的信号光均等地分束为第一信号光和第二信号光，两束信号光各自进入第二分束器和第三分束器；第四分束器将通过的本振光脉冲均等地分束为第一本振光和第二本振光，并通过传输两束本振光脉冲的两根光纤之间的长度差，实现第一本振光相较于第二本征光存在
Figure BDA0002956300770000041
的相位增量；
第二分束器和第三分束器分别对接收的本振光和信号光进行干涉，并将叠加光分为两束；第一探测器和第二探测器分别对第二分束器分束出的两束叠加光进行零差测量，测量的结果通过第一差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，该电压值为光场的一对正交分量中正则坐标的测量结果；第三探测器和第四探测器分别对第三分束器分束出的叠加光进行零差测量，测量的结果通过第二差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，该电压值为光场的一对正交分量中正则动量的测量结果；通过两组探测器的探测，我们最终得到外差测量的结果，即正则坐标和正则动量。
所述接收端的后处理模块还对所得的探测结果进行被动相位补偿。
作为所述系统的另一种实现方式，所述发送端包括连续激光器、第一分束器和第一保偏偏振分束器、强度调制器、第一相位调制器；其中，连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振等稳定的连续激光；强度调制器将连续激光进行斩波得到脉冲激光；第一分束器将所接收的脉冲激光分为两束，其中光强较弱的一束进入第一相位调制器制备为所述信号光，光强较强的一束则直接传送至第一保偏偏振分束器；第一保偏偏振分束器将调制完成的信号光和光强较强的脉冲激光进行合束后通过光纤传送至接收端；
接收端包括：动态偏振控制器、从激光发射器、环形器、第二保偏偏振分束器、第二至第五分束器、第一至第四探测器、第一差分放大器、第二差分放大器；其中，动态偏振控制器对信号光和光强较强的脉冲激光在光纤传输中产生的偏振漂移进行补偿；第二保偏偏振分束器再将信号光和光强较强的脉冲激光分束，将信号光打入第二分束器，将光强较强的脉冲激光通过环形器打入从激光发射器，从激光发射器采用注入锁定方式生成一束与接收到的脉冲激光具有稳定相位差的本振光；
第三分束器将本振光分束为第一本振光和第二本振光，第一本振光送入第四分束器，第二本振光送入第五分束器；
第二分束器将信号光分束为第一信号光和第二信号光，第一信号光送入第四分束器，第二信号光送入第五分束器；
第四分束器和第五分束器分别对接收到的信号光和本振光进行干涉操作，并将叠加光分为两束；
第一探测器和第二探测器分别对第四分束器分束出的两束叠加光进行零差测量，测量的结果通过第一差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，进而得到正则坐标的测量结果；第三探测器和第四探测器分别对第五分束器分束出的叠加光进行零差测量，测量的结果通过第二差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，进而得到正则动量的测量结果。
作为所述系统的再一种实现方式，所述发送端包括第一连续激光器、第一环形器、第一分束器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一光纤延时线；其中，
第一环形器将第一连续激光器产生的连续激光传入第一分束器，再将从第一分束器返回的脉冲光信号传至第一相位调制器；第一分束器按照一定的光强比例将所接收的激光分为两束，一束按照逆时针顺序依次通过第二相位调制器和第一光纤延时线后回到第一分束器，另一束按照顺时针顺序依次通过第一光纤延时线和第二相位调制器后回到第一分束器；两束光在第一分束器处发生干涉，干涉所得光脉冲通过第一环形器传递至第一相位调制器调制成所述信号光；
第二相位调制器对顺时针方向和逆时针方向的两束光分别进行相同的相位调制，第一光纤延时线对顺时针方向和逆时针方向传输的两束光分别引入相等的延时，使得顺时针和逆时针传输的激光到达第二相位调制器的时间存在差值为t的延时，以实现顺时针激光和逆时针激光回到第一分束器进行干涉时存在相位差；
所述接收端包括：动态偏振控制器、第二至第六分束器、第一至第四探测器、第一差分放大器、第二差分放大器、第二连续激光器、第二环形器、第三相位调制器、第二光纤延时线；其中，
动态偏振控制器对信号光进行偏振漂移补偿，补偿后的信号光通过第三分束器分为两束并分别送入第四分束器和第五分束器；
第二环形器将第二连续激光器产生的连续激光器传入第二分束器，第二分束器按照一定的光强比例将所接收的连续激光分为两束，一束按照逆时针顺序依次通过第三相位调制器和第二光纤延时线后回到第二分束器，另一束按照顺时针顺序依次通过第二光纤延时线和第三相位调制器后回到第二分束器，两束光在第二分束器处发生干涉后所得的本振光传输至第六分束器；
第三相位调制器对顺时针方向和逆时针方向的两束光分别进行相同的相位调制；第二光纤延时线对延顺时针方向和逆时针方向传输的两束光分别引入相等的延时，使得顺时针激光和逆时针传激光到达第三相位调制器的时间存在差值t的延时，进而使得两束激光回到第二分束器进行干涉时存在相位差，从而得到本振光；
第六分束器将本振光分为两束并分别传输至第四、第五分束器；第四、第五分束器分别对接收到的本振光和信号光进行干涉操作，再将叠加光分为两束；
第一探测器和第二探测器分别对第二分束器分束出的两束叠加光进行零差测量，测量的结果通过第一差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，进而得到正则坐标的测量结果；第三探测器和第四探测器分别对第三分束器分束出的叠加光进行零差测量，测量的结果通过第二差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，进而得到正则动量的测量结果。
技术效果：与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
1、系统操作复杂度降低：发送四种固定的信号光进行成码，但过程中允许本振光与四种信号光间分别存在一个额外的固定相位差，，保证安全性的同时不需要严格要求信号光和本振光之间的相位差为0、
Figure BDA0002956300770000061
π、
Figure BDA0002956300770000062
简化了信号光与本振光的协调过程；
2、本发明采用四个信号态并通过拟牛顿算法数值模拟的方法给出无条件安全的成码率估计，可以满足渐进条件集体攻击下的无条件安全性的同时，相比凸优化算法具有更快的收敛速度，提高系统的后处理效率。
3、本发明弥补了可能存在的安全漏洞：在信号光由发送端制备的情况下，改用接收端来发送本振光，避免信道传输本振光的过程中可能受到的攻击。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明实施例一的结构示意图；
图3为本发明实施例二的结构示意图；
图4为本发明实施例三的结构示意图；
图5为实施例三中信号光脉冲和本振光脉冲的脉冲调制示意图：图5(a)为相位调制器施加于逆时针方向激光的相位调制；图5(b)为相位调制器施加于顺时针方向激光的相位调制；图5(c)为逆时针和顺时针两束激光于分束器处干涉所得的相干光光强，即形成的光脉冲信号。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。
应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。
本发明所提出的本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统包括发送端和接收端；根据功能可进一步分解为多个模块，如图1所示，各模块协同工作以完成密钥分配任务，其中发送端包括信号光发送模块、信号光强度调制模块和信号光相位调制模块，接收端包括本振光制备模块、信号光偏振补偿模块以及探测模块，发送端和接收端内均设置有后处理模块，用于实现对本端各模块的控制以及执行密钥协商的具体流程，为简化附图，未在图例中体现。各模块所实现的功能如下：
信号光发送模块用于发送制备信号光的连续激光，所发送的连续激光前后光强、相位、频率和偏振等应保持稳定，具体设备可包括但不限于一个光强稳定的连续激光器；
信号光强度调制模块用于制备符合信号光条件的弱相干光脉冲，要求实现光强大小的控制以及光脉冲的形成，具体设备可包括但不限于一个强度调制器、一个固定衰减器；
信号光相位调制模块将信号光脉冲等概率地调制为处于{|β>、|iβ>>、|-β>>、|-iβ>>}中一种信号态的状态，对应状态可用{0，1，2，3}来进行标记，要求信号光相位调制模块具有相位调制和可等概率选择上述四种信号态的功能，具体设备可包括但不限于一个相位调制器和一个随机数生成器；
位于接收端的本振光制备模块用以制备符合本振光条件的强经典光脉冲；
信号光偏振补偿模块用以补偿信号光在量子信道中传输产生的偏振漂移；
探测模块实现外差测量，在本实施例中，我们将探测模块的测量功能等效为两个零差测量装置来实现，这两个零差测量装置分别测量正则坐标和正则动量，具体为：
进入探测模块的信号光分束为第一信号光和第二信号光，而本振光分束为第一本振光和第二本振光。第一信号光和第一本振光通过第一通路传输到第一测量装置，且通过增加传输过程中的光纤长度使得第一本振光的相位增加了
Figure BDA0002956300770000081
n为正整数，第一信号光和第二信号光传输至第一零差测量装置，第一零差测量装置对第一信号光和第二信号光进行相干测量，得到正则动量。第二信号光和第二本振光通过第二通路直接传输到第二测量装置，第二测量装置对第二信号光和第二本振光进行相干探测，得到正则坐标。
本发明中，通过两个零差测量装置实现外差测量的效果，在测量过程中，四种信号光和本振光之间的相位差分别保持在
Figure BDA0002956300770000082
的角度即可，即在一轮成码时间内，允许存在一个额外的固定相位差
Figure BDA0002956300770000083
此时会使得探测模块探测的划分转动一个全局的角度
Figure BDA0002956300770000084
但此变化不会影响四态调制所对应的统计结果的形成，故不会影响提取的密钥；
发送端和接收端分别设置有后处理模块，用于进行后续的相位补偿、用拟牛顿算法计算成码率、纠错、隐私放大以及提取最终密钥等过程。其中，拟牛顿法的基本思想为：
给定优化参数的初始点并给出允许的误差，在每一次迭代中以不含二阶导数的矩阵Ut逼近牛顿法中的逆hesse矩阵，并以-Utgt方向为搜索方向dt进行更新，做一维搜索，获得目标优化函数的最优步长并更新参数。其中Ut逼近逆hesse矩阵的条件即为拟牛顿条件，gt为目标优化函数在优化参数处前后两次迭代间的梯度之差
Figure BDA0002956300770000085
dt＝Utgt
Δxt＝Ut+1Δgt(拟牛顿条件)
不同拟牛顿法的区别在于U的确定，一般采用BFGS法确定U，即
Figure BDA0002956300770000086
从点xt出发后沿dt搜索获得最优步长λt并更新参数x：
Figure BDA0002956300770000087
xt+1＝xt+λtdt
更新Ut并使t＝t+1带回并更新搜索方向dt，进行迭代。
其中的参数x即为成码率估计中的各项参数且参数的个数即U矩阵的维数，而目标优化函数就是成码率，通过不断迭代将得出无条件安全的成码率的数值估计。
相位补偿过程原理如下：由于本振光在制备后应与信号光形成一个稳定的相位差，而来自不同光源的本振光和信号光间可能存在相位抖动，且信号光在信道中经过传播还可能带来一定的相位漂移，故需在最后的后处理模块中对数据通过算法处理进行相位补偿。
为了更加详尽和完善的理解，下面结合附图2至5和以下三个实施例，对本发明进行进一步的说明。
如下所描述的实施例仅包含本发明的几种实施方式，并非全部的可行方案，还可进行其他若干的变形。在本领域技术人员没有做出创造性劳动的前提下获得的其他所有实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图2所示，本实施例示例性地给出上述本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统的一种实现方式，整个系统包括发送端、接收端。
发送端包括依次级联的第一连续激光器、第一强度调制器和相位调制器，分别用于实现所述信号光发送模块、信号光强度调制模块和相位调制模块的功能，相位调制器通过单模光纤与接收端连接。
第一连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振稳定的连续激光。
第一强度调制器将强度一定的连续激光进行斩波，得到信号光脉冲。优选的，第一强度调制器后可再加一个固定衰减器将信号光脉冲强度减到量子水平。
相位调制器等概率地将所收到的信号光相对原始相位分别旋转0、
Figure BDA0002956300770000091
π、
Figure BDA0002956300770000092
角度，以制备相对应的|β>、|iβ>、|-β>、|-iβ>四个信号态。
接收端包括动态偏振控制器、第一至第四分束器、第一至第四探测器、第一差分放大器、第二差分放大器、第二连续激光器和第二强度调制器；其中，
第二连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振稳定的连续激光；
第二强度调制器对连续激光进行斩波，得到符合要求的本振光脉冲；
动态偏振控制器对信号光脉冲在光纤传输中可能产生的偏振漂移进行补偿；
第一分束器将通过的信号光脉冲均等的分为两束，两束信号光脉冲各自进入第二分束器和第三分束器；
第四分束器将通过的本振光脉冲均等的分为两束，且两束本振光脉冲传输过程中所处的光纤有一个很小的长度差，以实现进入第三分束器的本振光脉冲较另一路进入第二分束器的本振光脉冲信号多产生
Figure BDA0002956300770000093
的相位变化，其目的在于使最终的两处干涉测量各自能得到一对光场正交分量的其中之一；
第二分束器和第三分束器分别对接收的本振光和信号光进行干涉，并将叠加光分为两束；
第一探测器和第二探测器分别对第二分束器分束出的两束叠加光进行光场正交分量的测量，测量的结果通过第一差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，该电压值为光场的一对正交分量中正则坐标的测量结果；
同样的，所述第三探测器和第四探测器分别对第三分束器分束出的叠加光进行测量，测量的结果通过第二差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，该电压值为光场的一对正交分量中正则动量的测量结果；
最后，接收端的后处理模块对所得的探测结果进行被动相位补偿，并与发送端的后处理模块交互，以进行成码率计算、纠错以及隐私放大，并获得最终的安全密钥。
上述系统的工作流程如下：
步骤一：发送端等概率地制备四种相干态脉冲信号光|β>、|iβ>、|-β>、|-iβ>，并使用{0，1，2，3}来分别进行标记。将信号光通过一个不安全的量子信道发送给接收端。同时接收端也将发送本振光脉冲，且事前可以通过发送参考光来确定本振光与发送端所发送的信号光的相对相位关系，并在后处理模块中对所测得的数据通过算法进行相位抖动和相位漂移的被动补偿；
步骤二：信号光经过偏振补偿后经第一分束器分为第一信号光和第二信号光，第一信号光到达第二分束器，第二信号光到达第三分束器；本振光经第四分束器分束为第一本振光和第二本振光，第一、第二本振光通过长度略有不同的光纤传输从而使第二本振光相对第一本振光增加
Figure BDA0002956300770000101
的相位，用于测量不同的光场正交分量；第一本振光与第一信号光同时到达第二分束器，第二本振光与第二信号光同时到达第三分束器。
步骤三：进行外差测量。两组探测器与差分放大器组成的零差测量装置将各自测量得到一对光场正交分量的其中之一，即同时测得正则动量和正则坐标。
步骤四：接收端通过所得测量结果提取原始密钥。接收端最终能得到的测量值为两个实数q和p，将q和p分别作为实部和虚部形成一个复数C＝q+ip＝reia，故r和a分别为其模和幅角。提取密钥的规则为：①
Figure BDA0002956300770000102
且r≥ε，取0；②
Figure BDA0002956300770000107
Figure BDA0002956300770000104
且r≥ε，取1；③
Figure BDA0002956300770000105
且r≥ε，取2；④
Figure BDA0002956300770000106
且r≥ε，取3；⑤其余结果取为⊥，即不用于成码而只用于估计成码率，因为此时得到的结果可能会有较高的错误率。上述ε为一个小量，当r的取值小于ε时，四种信号态可区分度下降，可能导致较高的测量错误率；
Figure BDA0002956300770000111
即为上文所述的本振光与信号光间额外存在的固定相位差；
步骤五：在得到原始密钥后进行成码率估计，随机选取部分密钥公布以用来进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥。
实施例二：
如图3所示，本实施例中，发送端包括连续激光器、第一分束器和第一保偏偏振分束器、强度调制器、第一相位调制器，其中，连续激光器、第一分束器和第一保偏偏振分束器共同构成信号光发送模块，强度调制器作为信号光强度调制模块，第一相位调制器作为信号光相位调制模块；接收端包括动态偏振控制器、从激光发射器、环形器、第二保偏偏振分束器、第二至第五分束器、第一至第四探测器、第一差分放大器、第二差分放大器，动态偏振控制器作为信号光偏振补偿模块，从激光发射器和环形器构成本振光发送模块和本振光强度调制模块。
连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振等稳定的连续激光；
强度调制器将连续激光进行斩波，使连续激光通过后得到强度较强的脉冲激光相干光；
第一分束器将所接收的脉冲激光分为两束，其中光强较弱的一束进入信号光相位调制模块，光强较强的一束直接传送至第一保偏偏振分束器；
相位调制器将所接收信号光等概率地制备为|β>、|iβ>、|一β>、|-iβ>四种相干态脉冲信号光；
第一保偏偏振分束器将调制完成的弱信号光脉冲和光强较强的激光脉冲进行合束，通过光纤传送至接收端；
第二保偏偏振分束器再将弱信号光脉冲和光强较强的激光脉冲分束，将弱信号光脉冲打入第二分束器，将光强较强的激光脉冲打入环形器；
环形器与接收端的从激光发射器的组合，其作用为，当环形器接收到从第二保偏偏振分束器中分束得到的激光脉冲后，按照该环形器所规定的方向，将接收到的激光脉冲注入接收端的从激光发射器；从激光发射器在接收到来自环形器的激光脉冲后，由注入锁定的原理，将产生一束与接收到的激光脉冲相位差稳定的强经典本振光脉冲。因此，相较于实施例一中完全独立发送本地本振光的连续激光器，实施例二中通过利用激光注入锁定技术可使得所制备信号光与本振光间的相位差具有很好的稳定性。
其余步骤与实施例一一致，接收端的探测模块无变化，用分束器，单光子探测器和差分放大器对本振光和信号光进行外差测量。
本实施例中，发送端和接收端利用注入锁定的方式，使得信号光和本振光之间能够建立起更加稳定的相位参考，有助成码率提升。
实施例三：
如图4所示，实施例三相较于实施例一的变化在于：将发送端的信号光强度调制模块中的强度调制器替换为第一环形器、第一分束器、第二相位调制器、第一光纤延时线、其中第一分束器、第二相位调制器和第一光纤延时线组成一个环路；将接收端本振光强度调制模块中的强度调制器替换为第二环形器、第二分束器、第三相位调制器和第二光纤延时线，其中，第二分束器、第三相位调制器和第二光纤延时线组成一个环路。
发送端中：第一环形器将第一连续激光器产生的连续激光按第一环形器所规定方向由第一连续激光器传入第一分束器，第一分束器按照一定的光强比例将所接收的激光分为两束，一束经所述环路逆时针传输并依次通过第二相位调制器和第一光纤延时器后回到第一分束器，另一束光信号从另一出口经所述环路顺时针传输并依次通过第一光纤延时器和第二相位调制器后回到第一分束器。两束光在第一分束器处经过干涉后，干涉所得光脉冲将传输至第一环形器，通过第一环形器传递至第一相位调制器调制成所述信号光。
第二相位调制器对顺时针方向和逆时针方向的两束光在该相位调制器处分别按周期T施加电压进行相同的相位调制，如图5(a)所示为施加于逆时针方向激光的调制，如图5(b)所示为施加于顺时针方向激光的调制。第一光纤延时线对延顺时针方向和逆时针方向传输的两束光分别引入相等的延时，使得顺时针和逆时针传输的激光到达第二相位调制器的时间存在差值t的延时，由此造成两束激光回到第一分束器进行干涉时存在相位差，如图5(a)和图5(b)所示。产生光脉冲的过程基于相干相长相消的干涉原理，由于顺时针和逆时针激光之间存在相位差，两束光干涉后所得的相干光光强如图5(c)所示，即可得到光脉冲信号。
接收端中：第二环形器将激光按环形器所规定方向由连续激光器传入第二分束器，第二分束器按照一定的光强比例将所接收的激光分为两束，一束经所述环路逆时针传输并依次通过第三相位调制器和第二光纤延时器后回到第二分束器；另一束光信号从另一出口经所述环路顺时针传输并依次通过第二光纤延时器和第三相位调制器后回到第二分束器。两束光在第二分束器处经过干涉后，干涉所得光脉冲将传输至第六分束器。第三相位调制器对顺时针方向和逆时针方向的两束光在该相位调制器处分别按周期T施加电压进行相同的相位调制。第二光纤延时器对延顺时针方向和逆时针方向传输的两束光分别引入相等的延时，使得顺时针和逆时针传输的激光到达相位调制器的时间存在差值t的延时，由此造成两束激光回到分束器进行干涉时存在相位差，即可得到本振光脉冲信号。
第六分束器将本振光分为两束并分别传输至第四、第五分束器；第四、第五分束器分别对接收到的本振光和信号光进行干涉操作，再将叠加光分为两束；
第一探测器和第二探测器分别对第二分束器分束出的两束叠加光进行零差测量，测量的结果通过第一差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，进而得到正则坐标的测量结果；第三探测器和第四探测器分别对第三分束器分束出的叠加光进行零差测量，测量的结果通过第二差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，进而得到正则动量的测量结果；最终，基于两组探测器的探测，我们得到外差测量的结果。
本实施例中的光脉冲产生方法具有成本低且不存在偏制点偏移的优点，且对所接收的待调制激光要求较低，但能产生高消光比的脉冲。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法，该方法采用四态协议并采用相位编码，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)发送端等概率且随机地制备并发送只在相位上有所区别的四种信号光以对应四种信号态，并采用相位编码方式将所发送的信号光编码为发送端原始密钥，所述四种信号光满足以下条件：以任意一种信号光为基准信号光，其余三种信号光与基准信号光之间的相位差分别为90°、180°、270°；
(2)接收端接收信号光后进行偏振补偿，然后将补偿后的信号光分束为第一信号光和第二信号光；接收端制备本振光，本振光在一轮成码时间内与相应基准信号光保持固定相位差
Figure FDA0002956300760000011
接收端将本振光分束为第一本振光和第二本振光，并在第一本振光中引入
Figure FDA0002956300760000012
的相位增量，然后使第一本振光与第一信号光发生干涉，使第二本振光与第二信号光发生干涉，最后通过分别对两组干涉后的叠加光进行外差测量，得到一对光场正交分量，即正则动量p和正则坐标q；
(3)接收端将测得的q和p分别作为实部和虚部形成一个复数，然后按照与发送端相同的编码方式将所述复数编码为接收端原始密钥；
(4)在得到原始密钥后，通过拟牛顿算法进行数值模拟，给出无条件安全的成码率的估计；在无条件安全的成码率大于零的基础上，发送端和接收端随机选取部分密钥公布以进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终的安全密钥。
2.根据权利要求1所述的一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法，其特征在于：所述步骤(1)中，发送端将信号光编码为发送端原始密钥的方法包括以下步骤：记发送端发送的四种信号光的相位分别为
Figure FDA0002956300760000013
然后将所述四个相位编码为四个经典比特x1至x4。
3.根据权利要求2所述的一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将所述复数编码为接收端原始密钥的具体步骤包括：
将接收端将测得的q和p分别作为实部和虚部而形成的复数记为C＝q+ip＝reia，r和a分别为C的模和幅角，然后按照以下规则提取密钥：
①
Figure FDA0002956300760000014
且r≥ε，取x1；
②
Figure FDA0002956300760000015
且r≥ε，取x2；
③
Figure FDA0002956300760000021
且r≥ε，取x3；
④
Figure FDA0002956300760000022
且r≥ε，取x4；
⑤a为其余结果，取⊥。
4.一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统，用于实现权利要求1至3任意一项所述的方法，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、信号光强度调制模块和信号光相位调制模块；其中，信号光发送模块发送连续激光，信号光强度调制模块将连续激光制备为符合信号光条件的弱相干光脉冲，信号光相位调制模块将弱相干光脉冲制备为所述四种信号光；
所述接收端包括：本振光制备模块、信号光偏振补偿模块以及探测模块；其中，本振光制备模块用于制备符合本振光条件的强经典光脉冲，信号光偏振补偿模块用于对接收到的信号光进行偏振补偿，探测模块用于将本振光分束为第一本振光和第二本振光，并在第一本振光中引入
Figure FDA0002956300760000023
的相位增量，然后使第一本振光与第一信号光发生干涉，使第二本振光与第二信号光发生干涉，最后通过对两组干涉后的叠加光分别进行零差测量，得到正则动量p和正则坐标q。
5.根据权利要求4所述的一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端和接收端分别设置后处理模块，所述后处理模块用于控制本端各模块实现相应功能，以及与另一端的后处理模块进行成码率估计、经典纠错、错误验证和隐私放大，最后提取安全密钥。
6.根据权利要求5所述的一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统，其特征在于：
所述发送端包括依次级联的第一连续激光器、第一强度调制器和相位调制器；第一连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振稳定的连续激光；第一强度调制器将强度一定的连续激光进行斩波，得到原始信号光脉冲；相位调制器对原始信号光脉冲进行相位调制，制备出所述信号光；
接收端包括动态偏振控制器、第一至第四分束器、第一至第四探测器、第一差分放大器、第二差分放大器、第二连续激光器和第二强度调制器；其中，第二连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振稳定的连续激光；第二强度调制器对连续激光进行斩波，得到本振光脉冲；动态偏振控制器对信号光脉冲在光纤传输中产生的偏振漂移进行补偿；第一分束器将通过的信号光均等地分束为第一信号光和第二信号光，两束信号光各自进入第二分束器和第三分束器；第四分束器将通过的本振光脉冲均等地分束为第一本振光和第二本振光，并通过传输两束本振光脉冲的两根光纤之间的长度差，实现第一本振光相较于第二本征光存在
Figure FDA0002956300760000031
的相位增量；第二分束器和第三分束器分别对接收的本振光和信号光进行干涉，并将叠加光分为两束；第一探测器和第二探测器分别对第二分束器分束出的两束叠加光进行零差测量，测量的结果通过第一差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，该电压值为光场的一对正交分量中正则坐标的测量结果；第三探测器和第四探测器分别对第三分束器分束出的叠加光进行零差测量，测量的结果通过第二差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，该电压值为光场的一对正交分量中正则动量的测量结果；
所述接收端的后处理模块还对所得的探测结果进行被动相位补偿。
7.根据权利要求5所述的一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统，其特征在于：
所述发送端包括连续激光器、第一分束器和第一保偏偏振分束器、强度调制器、第一相位调制器；其中，连续激光器用于产生强度、相位、频率和偏振等稳定的连续激光；强度调制器将连续激光进行斩波得到脉冲激光；第一分束器将所接收的脉冲激光分为两束，其中光强较弱的一束进入第一相位调制器制备为所述信号光，光强较强的一束则直接传送至第一保偏偏振分束器；第一保偏偏振分束器将调制完成的信号光和光强较强的脉冲激光进行合束后通过光纤传送至接收端；
接收端包括：动态偏振控制器、从激光发射器、环形器、第二保偏偏振分束器、第二至第五分束器、第一至第四探测器、第一差分放大器、第二差分放大器；其中，动态偏振控制器对信号光和光强较强的脉冲激光在光纤传输中产生的偏振漂移进行补偿；第二保偏偏振分束器再将信号光和光强较强的脉冲激光分束，将信号光打入第二分束器，将光强较强的脉冲激光通过环形器打入从激光发射器，从激光发射器采用注入锁定方式生成一束与接收到的脉冲激光具有稳定相位差的本振光；
第三分束器将本振光分束为第一本振光和第二本振光，第一本振光送入第四分束器，第二本振光送入第五分束器；
第二分束器将信号光分束为第一信号光和第二信号光，第一信号光送入第四分束器，第二信号光送入第五分束器；
第四分束器和第五分束器分别对接收到的信号光和本振光进行干涉操作，并将叠加光分为两束；
第一探测器和第二探测器分别对第四分束器分束出的两束叠加光进行零差测量，测量的结果通过第一差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，进而得到正则坐标的测量结果；第三探测器和第四探测器分别对第五分束器分束出的叠加光进行零差测量，测量的结果通过第二差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，进而得到正则动量的测量结果。
8.根据权利要求5所述的一种本地本振的四态连续变量量子密钥分发系统，其特征在于：
发送端包括第一连续激光器、第一环形器、第一分束器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一光纤延时线；其中，
第一环形器将第一连续激光器产生的连续激光传入第一分束器，再将从第一分束器返回的脉冲光信号传至第一相位调制器；第一分束器按照一定的光强比例将所接收的激光分为两束，一束按照逆时针顺序依次通过第二相位调制器和第一光纤延时线后回到第一分束器，另一束按照顺时针顺序依次通过第一光纤延时线和第二相位调制器后回到第一分束器；两束光在第一分束器处发生干涉，干涉所得光脉冲通过第一环形器传递至第一相位调制器调制成所述信号光；
第二相位调制器对顺时针方向和逆时针方向的两束光分别进行相同的相位调制，第一光纤延时线对顺时针方向和逆时针方向传输的两束光分别引入相等的延时，使得顺时针和逆时针传输的激光到达第二相位调制器的时间存在差值为t的延时，以实现顺时针激光和逆时针激光回到第一分束器进行干涉时存在相位差；
接收端包括：动态偏振控制器、第二至第六分束器、第一至第四探测器、第一差分放大器、第二差分放大器、第二连续激光器、第二环形器、第三相位调制器、第二光纤延时线；其中，
动态偏振控制器对信号光进行偏振漂移补偿，补偿后的信号光通过第三分束器分为两束并分别送入第四分束器和第五分束器；
第二环形器将第二连续激光器产生的连续激光器传入第二分束器，第二分束器按照一定的光强比例将所接收的连续激光分为两束，一束按照逆时针顺序依次通过第三相位调制器和第二光纤延时线后回到第二分束器，另一束按照顺时针顺序依次通过第二光纤延时线和第三相位调制器后回到第二分束器，两束光在第二分束器处发生干涉后所得的本振光传输至第六分束器；
第三相位调制器对顺时针方向和逆时针方向的两束光分别进行相同的相位调制；第二光纤延时线对延顺时针方向和逆时针方向传输的两束光分别引入相等的延时，使得顺时针激光和逆时针传激光到达第三相位调制器的时间存在差值t的延时，进而使得两束激光回到第二分束器进行干涉时存在相位差，从而得到本振光；
第六分束器将本振光分为两束并分别传输至第四、第五分束器；第四、第五分束器分别对接收到的本振光和信号光进行干涉操作，再将叠加光分为两束；
第一探测器和第二探测器分别对第二分束器分束出的两束叠加光进行零差测量，测量的结果通过第一差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，进而得到正则坐标的测量结果；第三探测器和第四探测器分别对第三分束器分束出的叠加光进行零差测量，测量的结果通过第二差分放大器进行差分放大后，得到一个电压值，进而得到正则动量的测量结果。
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