CN113014329A - 时分正交零差cv qkd系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种时分正交零差CV QKD系统，并且连续可变量子密钥分配系统包括：发射器，根据传输目标加密密钥的数据，通过使用连续光产生量子态数据的光脉冲；以及接收器，将从信道接收到的光脉冲分离到两个路径中，并且将具有光脉冲的一个周期的时间差的两个信号的相位固定为正交相位，然后通过时分零差检测对相互影响的信号的状态检测来生成位信息。

Description

时分正交零差CV QKD系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月18日向韩国知识产权局提交的、申请号为10-2019-0170252的韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请的全部内容在此通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及一种连续可变量子密钥分配(CV QKD)系统，并且特别地，涉及一种CVQKD系统，该CV QKD系统通过应用平衡检波器对偏振波动具有鲁棒性，从而显示通过时分正交零差检测的外差检测的效果。
背景技术
在一般的连续可变量子密钥分配系统中，发射器(Alice)通过振幅调制器(AM)产生连续光的脉冲波，然后通过偏振分束器(PBS)将产生的脉冲信号分为信号脉冲和本振(LO)脉冲。然后，通过振幅调制器(AM)和相位调制器(PM)将信号脉冲调制为所需的数据值。此后，通过偏振分束器(PBS)将具有彼此垂直的偏振的经调制信号脉冲和LO脉冲进行组合并且输出到光纤信道。
在接收器(Bob)中，首先，通过动态偏振控制器(DPC)流经信道的偏振波动对通过信道接收的信号进行校正。通过偏振分束器(PBS)将经校正的信号再次分为信号脉冲和LO脉冲，并且通过相位调制器(PM)随意调制用于确定零差检波器的正交的LO脉冲的参考相位(0度或90度)，并且通过分束器(BS)将信号脉冲和LO脉冲进行组合以根据零差方法执行状态检测。
然而，在传统的连续可变量子密钥分配(CV QKD)中，需要两套光学干涉仪来进行所谓的外差检测的IQ正交零差检测，并且需要偏振分束器和动态偏振控制器，因此，可能会增加成本，并且由攻击者(Eve)的信道攻击而引起的偏振波动会导致量子级信号脉冲和强信号LO脉冲的保密性显著降低。
发明内容
因此，本发明致力于解决该问题，在现有的连续可变量子加密技术中测量IQ正交零差时需要两套光学干涉仪，但是本发明一直致力于提供一种能够利用一套干涉仪测量IQ正交零差(外差)的连续可变量子密钥分配系统。
本发明一直致力于通过应用一个平衡检波器来提供一种连续可变量子密钥分配系统，以显示通过时分正交零差检测的外差检测的效果，该系统在接收侧不需要偏振分束器和动态偏振控制器，并且适用于低成本的短途接入网络。
本发明的示例性实施例提供一种连续可变量子密钥分配系统，包括：发射器，根据传输目标加密密钥的数据，通过使用连续光产生量子态数据的光脉冲；以及接收器，将从信道接收到的光脉冲分离到两个路径中，并且将具有光脉冲的一个周期的时间差的两个信号的相位固定为预定的相位差(例如，45度或45度的奇数倍)，然后通过时分零差检测对相互影响的信号的状态检测来生成位信息。
发射器可以包括：第一振幅调制器，根据传输目标加密密钥的数据，通过对连续光进行振幅调制产生包括信号脉冲和LO脉冲的脉冲波；以及IQ数据调制器，通过对脉冲波进行振幅调制和相位调制来产生相干量子态数据的光脉冲。
脉冲波可以包括以一个周期的时间差重复产生的信号脉冲和LO脉冲。
IQ数据调制器可以通过使用随机高斯分布值进行振幅调制和相位调制。
接收器可以包括：第一耦合器，将从信道接收到的光脉冲分离，并且将第一分离信号和第二分离信号分别输出到两个路径；延迟线，将第一分离信号或第二分离信号延迟光脉冲的一个周期；移相器，改变两个信号中的一个的光相位，以便根据相位控制信号改变具有光脉冲的一个周期的时间差的两个信号的相对光相位；第二耦合器，使具有光脉冲的一个周期的时间差的两个信号相互影响，并且在两个信号中的一个的光相位改变之后，将第一干扰信号和第二干扰信号输出到两个路径；以及平衡检波器，根据第一干扰信号和第二干扰信号产生相位控制信号，并且通过时分零差检测的状态检测来生成位信息。
平衡检波器可以产生用于固定相位的相位控制信号。
平衡检波器可以产生相位控制信号，以便可以根据第一干扰信号和第二干扰信号的受干扰的输出脉冲所固定的相位差，通过零差检测方法在结果中提取I分量和Q分量。
平衡检波器可以产生相位控制信号，以便通过使相位差为45度或45度的奇数倍，针对第一干扰信号和第二干扰信号，通过零差检测方法在结果中交替显示I分量和Q分量之和以及I分量和Q分量之差。
本发明的另一示例性实施例提供一种连续可变量子密钥分配方法，包括：根据传输目标加密密钥的数据，通过使用连续光产生量子态数据的光脉冲；并且将从信道接收到的光脉冲分离到两个路径中，并且将具有光脉冲的一个周期的时间差的两个信号的相位固定为预定的相位差，然后通过时分零差检测对相互影响的信号的状态检测来生成位信息。
根据本发明的示例性实施例，通过应用一个平衡检波器来提供一种连续可变量子密钥分配系统，以便显示通过时分正交零差检测的外差检测的效果，该系统在接收侧不需要偏振分束器和动态偏振控制器并且适用于低成本的短途接入网络。
根据本发明的示例性实施例，通过连续可变量子密钥分配系统，信号脉冲和LO脉冲不分开传输，因此，不受信道和系统中发生的偏振波动的影响。
根据本发明的示例性实施例，通过连续可变量子密钥分配系统，由接收侧接收的光脉冲的分离信号具有对应于光脉冲的一个周期(T)的时间差，相位被固定为预定的相位差并且对每个奇数周期和偶数周期的数据进行时间分割，并且可以通过零差方法检测每个分割后的数据，从而获得最大密钥传输速率。
根据本发明的示例性实施例，通过连续可变量子密钥分配系统，由于不需要考虑现有检测方法中由于LO脉冲泄漏而产生的过量噪声，因此连续可变量子密钥分配系统在降低过量噪声方面非常有效。
附图说明
为了帮助理解本发明，被包括作为具体实施方式的一部分的附图连同具体实施方式提供本发明的实施例并且描述本发明的技术思想。
图1是用于描述根据本发明的示例性实施例的用于连续可变量子密钥分配(CVQKD)的系统100的示图。
图2是用于描述根据本发明的发射器(Alice)的IQ调制的示例性实施例的示图。
图3是用于描述根据本发明的发射器(Alice)的发射光脉冲的示例性实施例的示图。
图4是用于描述根据本发明的接收器(Bob)的状态检测的示例性实施例的示图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明。在这种情况下，每个附图中的相同组件尽可能由相同的附图标记表示。另外，省略对已知功能和/或配置的详细描述。以下描述集中于理解根据各个实施例的操作所必需的部分，并且省略可能模糊说明书的主旨的元件的描述。另外，附图的一些组件可能被夸放大、省略或示意性地示出。每个组件的尺寸不完全反映实际尺寸，因此，在本文中描述的内容不受各个附图中所示的组件的相对尺寸或间距的限制。
在描述本发明的示例性实施例时，当判断与本发明有关的已知技术的详细描述可能不必要地使本发明的主旨不清楚时，将省略对该已知技术的详细描述。另外，以下将描述的术语，作为考虑到在本发明中的功能而定义的术语，可以根据用户或操作者的意图或习惯而改变。因此，需要基于整个说明书中的内容来定义术语。在详细描述中使用的术语仅用于描述本发明的示例性实施例，而不应以任何方式进行限制。除非另外专门使用，否则单数形式的表达方式包括复数形式的含义。在本说明书中，诸如“包括有”或“包含有”的词语旨在指出某些特征、数字、步骤、操作、元件、其中的一些或其组合，而不应解释为除了所述事物之外，排除一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、元件、其中的一些或其组合的存在或可能性。
包括第一、第二等的术语用于描述各种构成元素，但是构成元素不受该术语的限制，并且该术语仅用于将一个构成元素与其他构成元素区分开。
图1是用于描述根据本发明的实施例的用于连续可变量子密钥分配(CVQKD)的系统100的示图。
参照图1，根据本发明的示例性实施例的用于连续可变量子密钥分配(CVQKD)的系统100包括在信道(光传输路径或量子信道等)上彼此光通信的发射器(Alice)和接收器(Bob)。
在网络，即提供诸如有线/无线网络、移动通信网络等的公共信道的网络上的各种光通信设备中可以包括发射器(Alice)和接收器(Bob)。例如，以太网设备、L2/L3设备、网络上的服务器等可以包括发射器(Alice)和接收器(Bob)，用于根据连续可变量子密钥分配协议来提供或接收量子加密密钥，以通过光通信来发送和接收相互需要的数据。
发射器(Alice)通过使用连续波激光(CW激光)(例如，波长为1550nm)来为与待发送的加密密钥相对应的预定的经编码的加密密钥产生量子态数据的光脉冲，并且将所产生的光脉冲发射到量子信道(光传输路径)。
接收器(Bob)将通过量子信道(光传输路径)接收到的量子态数据的光脉冲分离到两个路径中，并且将具有光脉冲的一个周期的时间差的两个信号固定为预定的相位差(例如，45度或45度的奇数倍)，然后通过时分零差方法对上述相互影响的信号的状态检测来生成位信息。
如图1所示，发射器(Alice)包括第一振幅调制器110、IQ数据调制器120和后处理单元150，并且进一步包括用于其操作的第一数模转换器(DAC)111、第二DAC 121以及第三DAC 122。
接收器(Bob)包括第一耦合器210、延迟线221、移相器222、第二耦合器230、平衡检波器240和后处理单元250。
图2是用于描述根据本发明的发射器(Alice)的IQ调制的示例性实施例的示图。
发射器(Alice)通过使用CW激光来为与待发送的加密密钥相对应的预定的经编码的加密密钥产生量子态数据的光脉冲，并且将产生的光脉冲发射到量子信道(光传输路径)。
为此，第一振幅调制器110对应于雕刻调制器(carving modulator)，该雕刻调制器根据传输目标加密密钥的数据，通过对连续光进行振幅调制来周期性地重复产生包括信号脉冲和本振(LO)脉冲的脉冲波。第一振幅调制器110根据待传输的加密密钥的数据来使用如图2所示的第一DAC 111的输出，以根据信号脉冲和LO脉冲部分之间的交变信号的大小，通过对连续光进行调制产生包括信号脉冲和LO脉冲的脉冲波。
IQ数据调制器120产生相干量子态数据的光脉冲作为量子态数据，并且通过第二振幅调制器AM2对来自第一振幅调制器110的脉冲波进行振幅调制和通过相位调制器PM对来自第一振幅调制器110的脉冲波进行相位调制，将产生的光脉冲发射到量子信道(光传输路径)。
IQ数据调制器120通过使用来自后处理单元150的随机(RND)高斯正交调制单元的预定的随机高斯分布值，进行由第二振幅调制器AM2进行的振幅调制和由相位调制器PM进行的相位调制。将后处理单元150的随机(RND)高斯正交调制单元产生的预定的随机高斯分布值(I，Q)提供到多维(MD)协调单元。
例如，第二DAC 121和第三DAC 122根据随机高斯分布值，输出如图2所示与其相对应的信号以成为所发送的量子态数据的光脉冲。因此，IQ数据调制器120可以产生量子态数据的光脉冲，并且通过第二振幅调制器AM2对来自第一振幅调制器110的脉冲波进行振幅调制和通过相位调制器PM对来自第一振幅调制器110的脉冲波进行相位调制来将产生的光脉冲发射到量子信道(光传输路径)。
图3是用于描述根据本发明的发射器(Alice)的发射光脉冲的示例性实施例的示图。
如图3所示，IQ数据调制器120可以产生并输出周期性(周期T)的光脉冲，并且将量子态数据的光脉冲发射到量子信道(光传输路径)。
在图2中，第三DAC 122的输出示出相位调制器PM中的相位调制值的示例(例如，80、60、70、0、40、20，...的相位角)，并且例如，IQ数据调制器120的相位调制器PM可以针对每个周期(T)区间通过根据相位调制值(例如，80、60、70、0、40、20，...的相位角)对第二振幅调制器AM2的输出进行相位调制，来将包括相应的振幅和相位调制值(例如，80、60、70、0、40、20，...的相位角)的光脉冲发射到量子信道(光传输路径)。
图4是用于描述根据本发明的接收器(Bob)的状态检测的示例性实施例的示图。
接收器(Bob)将通过量子信道(光传输路径)从发射器(Alice)接收到的量子态数据的光脉冲分离到两个路径中，并且将具有光脉冲的一个周期的时间差的两个信号固定为预定的相位差(例如，45度或45度的奇数倍)，然后再次通过时分零差检测对上述相互影响的信号的状态检测来生成位信息。
为此，第一耦合器210分离从量子信道(光传输路径)接收到的光脉冲，并且将第一分离信号211和第二分离信号212分别输出到两个路径。第一耦合器210可以是分束器。
延迟线221使第一分离信号211或第二分离信号212中的一个延迟光脉冲的一个周期T。在附图中，示出了延迟线221设置在第二分离信号212的路径上，但是在一些情况下，延迟线221可以设置在第一分离信号211的路径上。
移相器222调整待改变的两个信号的相对光相位，通过根据来自平衡检波器240的相位控制信号来改变具有光脉冲的一个周期的时间差的两个信号之间的一个光相位，也就是说，两个信号具有预定的相位差(例如，45度或45度的奇数倍)。作为示例，移相器222可以是光纤缠绕压电膜型致动器的模块类型。致动器可以通过根据电信号调整光纤路径长度来改变光相位。在附图中，示出了移相器222设置在第二分离信号212的路径上，但是在一些情况下，移相器222可以设置在第一分离信号211的路径上。
第二耦合器230基于延迟线221接收具有光脉冲的一个周期T的时间差的两个信号211和212，并且在改变两个信号之间的一个光相位之后接收具有时间差的两个信号211和212。也就是说，将两个输入信号中的一个作为基于移相器222改变其光相位的信号来输入。第二耦合器230通过两个路径分别输出第一干扰信号Iu和第二干扰信号Id。第二耦合器230可以是分束器。第一干扰信号Iu和第二干扰信号Id可以分别是对应于两个信号211和212之和的功率(power)的信号以及对应于两个信号211和212之差的功率的信号。
平衡检波器240(或平衡光电探测器)根据第一干扰信号Iu和第二干扰信号Id产生相位控制信号，并且将产生的相位控制信号反馈回移相器222，以控制待固定为预定的相位差(例如，45度或45度的奇数倍)的第一分离信号211和第二分离信号212的相位，并且通过时分零差检测对第一干扰信号Iu和第二干扰信号Id的状态检测生成位信息。
例如，平衡检波器240产生相位控制信号，以根据来自第二耦合器230的第一干涉信号Iu和第二干涉信号Id的受干扰的输出脉冲所固定的相位差(例如，45度或45度的奇数倍)，通过零差检测方法在结果中示出(提取)同相位(I)分量和正交相位(Q)分量。也就是说，产生并且反馈用于锁相的相位控制信号，以使输入到第二耦合器230中的两个信号211和212具有预定的相位差(例如，45度或45度的奇数倍)。例如，平衡检波器240可以通过使输入到第二耦合器230中的两个信号211和212之间的相位差为45度或45度的奇数倍，针对第一干扰信号Iu和第二干扰信号Id，通过零差检测方法来控制在结果中交替显示(提取)I分量和Q分量之和以及I分量和Q分量之差。
同时，在第一分离信号211和第二分离信号212具有光脉冲的一个周期T的时间差时，平衡检波器230固定相位，使得两个信号的光相位差具有预定的相位差(例如，45度或45度的奇数倍)，以在例如如图4所示的t1＝T和t2＝2T处加载和发送数据，因此，对每个奇数周期和偶数周期的数据进行时间分割，因而可以通过零差方法来检测每个分割后的数据，从而获得最大的密钥传输速率。此外，在本发明中，由于不需要考虑现有检测方法中由于LO脉冲泄漏而产生的过量噪声，因此连续可变量子密钥分配系统在降低过量噪声方面非常有效。
例如，平衡检波器240根据零差方法对于经编码的加密密钥相对应的所接收到的量子态数据执行状态检测，以产生相应的电信号，即位信息(数字代码)。对于状态检测，可以使用第一干扰信号Iu和第二干扰信号Id的差信号IHOM。进一步，将平衡检波器240中的差信号IHOM提供到后处理单元250的模数转换器(ADC)。
为了使由发射器(Alice)发送的传输目标加密密钥与由接收器(Bob)检测到的位信息匹配，计算经校正的量子加密密钥，并且通过应用后处理即误差修正技术和密性放大技术来向通过在平衡检波器240中执行状态检测而生成的相应的位信息共享经校正的量子加密密钥。接收器(Bob)的后处理单元250和发射器(Alice)的后处理单元150执行这种后处理过程。
例如，在接收器(Bob)的后处理单元250中，多维协调单元通过使用由模数转换器(ADC)输出的值I和Q来对多边缘型低密度奇偶校验码执行误差校正，多边缘型低密度奇偶校验码通过使用随机位序列生成单元(RND Bit Seq)和平衡检波器240的输出，即第一干扰信号Iu和第二干扰信号Id的差信号IHOM而生成。多维协调单元通过公共信道将取决于误差校正结果的信息传输到发射器(Alice)，以允许发射器(Alice)使用所传输的信息进行误差校正。
在发射器(Alice)的后处理单元150中，例如，多维协调单元可以通过使用随机(RND)高斯正交调制单元(RND Gauss Quad Mod)执行误差校正而生成多边缘型低密度奇偶校验码。多维协调单元可以通过使用由RND Gauss Quad Mod生成的多维预定的随机高斯分布值I和Q并且接收取决于来自接收器(Bob)的后处理单元250的误差校正结果的信息，来执行误差校正。
根据本发明的示例性实施例，可以通过应用一个平衡检波器240来提供一种连续可变量子密钥分配系统100，以显示通过时分正交零差检测的外差检测的效果，该系统在接收器(Bob)处不需要偏振分束器和动态偏振控制器，并且适用于低成本的短途接入网络。进一步，信号脉冲和LO脉冲不分开传输，因此，不受信道和系统中发生的偏振振动的影响。
根据本发明的示例性实施例，通过连续可变量子密钥分配系统100，由接收器(Bob)接收的光脉冲的分离信号具有对应于光脉冲的一个周期(T)的时间差，并且相位被固定为预定的相位差(例如，45度或45度的奇数倍)并且对每个奇数周期和偶数周期的数据进行时间分割，并且可以通过零差方法检测每个分割后的数据，从而获得最大密钥传输速率。另外，在本发明中，由于不需要考虑现有检测方法中由于LO脉冲泄漏而产生的过量噪声，因此连续可变量子密钥分配系统在降低过量噪声方面非常有效。
如上所述，已经通过诸如详细组件等的具体事项以及有限的示例性实施例和附图描述本发明，但是仅提供描述以帮助更全面地理解本发明并且本发明不限于示例性实施例，并且在不脱离本发明的本质特征的情况下，本领域技术人员可以根据范围进行各种修改和改变。因此，本发明的思想不应仅由所描述的实施例来限定，并且应当理解的是，本发明的权利要求包括上文已描述的权利要求和等同于权利要求或等效修改的所有技术思想。

Claims (10)

1.一种连续可变量子密钥分配系统，包括：
发射器，根据传输目标加密密钥的数据，通过使用连续光产生量子态数据的光脉冲；以及
接收器，将从信道接收到的光脉冲分离到两个路径中，并且将具有所述光脉冲的一个周期的时间差的两个信号的相位固定为预定的相位差，然后通过时分零差检测对信号的状态检测来生成位信息。
2.根据权利要求1所述的连续可变量子密钥分配系统，其中所述相位差为45度，或45度的奇数倍。
3.根据权利要求1所述的连续可变量子密钥分配系统，其中所述发射器包括：
第一振幅调制器，根据所述传输目标加密密钥的数据，通过对所述连续光进行振幅调制产生包括信号脉冲和本振脉冲即LO脉冲的脉冲波；以及
IQ数据调制器，通过对所述脉冲波进行振幅调制和相位调制来产生相干量子态数据的光脉冲。
4.根据权利要求3所述的连续可变量子密钥分配系统，其中所述脉冲波包括以一个周期的时间差重复产生的信号脉冲和LO脉冲。
5.根据权利要求3所述的连续可变量子密钥分配系统，其中所述IQ数据调制器通过使用随机高斯分布值进行所述振幅调制和所述相位调制。
6.根据权利要求1所述的连续可变量子密钥分配系统，其中所述接收器包括：
第一耦合器，将从所述信道接收到的所述光脉冲分离，并且将第一分离信号和第二分离信号分别输出到两个路径；
延迟线，将所述第一分离信号或所述第二分离信号延迟所述光脉冲的一个周期；
移相器，改变所述两个信号中的一个的光相位，以便根据相位控制信号改变具有所述光脉冲的一个周期的时间差的所述两个信号的相对光相位；
第二耦合器，使具有所述光脉冲的一个周期的时间差的所述两个信号相互影响，并且在所述两个信号中的一个的光相位改变之后，将第一干扰信号和第二干扰信号输出到两个路径；以及
平衡检波器，根据所述第一干扰信号和所述第二干扰信号产生所述相位控制信号，并且通过时分零差方法的状态检测来生成位信息。
7.根据权利要求6所述的连续可变量子密钥分配系统，其中所述平衡检波器产生用于固定相位的所述相位控制信号。
8.根据权利要求6所述的连续可变量子密钥分配系统，其中所述平衡检波器产生所述相位控制信号，以便根据所述第一干扰信号和所述第二干扰信号的受干扰的输出脉冲所固定的所述相位差，通过零差检测方法在结果中提取I分量和Q分量。
9.根据权利要求8所述的连续可变量子密钥分配系统，其中所述平衡检波器产生所述相位控制信号，以便通过使所述相位差为45度或45度的奇数倍，针对所述第一干扰信号和所述第二干扰信号，通过所述零差检测方法在结果中交替显示所述I分量和所述Q分量之和以及所述I分量和所述Q分量之差。
10.一种连续可变量子密钥分配方法，包括：
根据传输目标加密密钥的数据，通过使用连续光产生量子态数据的光脉冲；并且
将从信道接收到的所述光脉冲分离到两个路径中，并且将具有所述光脉冲的一个周期的时间差的两个信号的相位固定为预定的相位差，然后通过时分零差检测对相互影响的信号的状态检测来生成位信息。
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