CN113169869B - 连续变量量子密钥分发（cv-qkd）系统中的后接收同步 - Google Patents

连续变量量子密钥分发（cv-qkd）系统中的后接收同步 Download PDF

Info

Publication number
CN113169869B
CN113169869B CN201980081025.XA CN201980081025A CN113169869B CN 113169869 B CN113169869 B CN 113169869B CN 201980081025 A CN201980081025 A CN 201980081025A CN 113169869 B CN113169869 B CN 113169869B
Authority
CN
China
Prior art keywords
quantum
receiver
qkd
qkd device
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201980081025.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113169869A (zh
Inventor
汉斯·布鲁纳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Duesseldorf GmbH
Original Assignee
Huawei Technologies Duesseldorf GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Duesseldorf GmbH filed Critical Huawei Technologies Duesseldorf GmbH
Publication of CN113169869A publication Critical patent/CN113169869A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113169869B publication Critical patent/CN113169869B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H04L9/0858—Details about key distillation or coding, e.g. reconciliation, error correction, privacy amplification, polarisation coding or phase coding
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70—Photonic quantum communication

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

发射机CV‑QKD设备‘A’通过通信信道存储并发送量子信号，其中，该量子信号具有第一相位、第一中心频率、第一脉冲形状以及第一带宽。接收机CV‑QKD设备‘B’经由该通信信道以及该接收机CV‑QKD设备‘B’的接收频带接收该量子信号。该接收频带具有第二中心频率和第二带宽，其中，该第二中心频率相对于该第一中心频率偏移由该通信信道产生的频移。该接收的量子信号具有第二相位和第二脉冲形状，该第二相位相对于该第一相位偏移由该通信信道产生的相移，该第二中心频率相对于该第一中心频率偏移由该通信信道产生的频移，该第二脉冲形状相对于该第一脉冲形状偏移由该通信信道产生的时延；该接收机CV‑QKD设备‘B’基于该相移、该频移、该时延以及该第一中心频率附近的该第一带宽与该第二中心频率附近的该第二带宽之间的重叠产生的第三带宽来确定量子通信信道。该接收机CV‑QKD设备‘B’通过认证的通信信道将该确定的量子通信信道传递给该发射机CV‑QKD设备‘A’。该发射机CV‑QKD设备‘A’通过基于该确定的量子通信信道修改该存储的量子信号来获取修改后的量子信号，并且该发射机CV‑QKD设备‘A’和该接收机CV‑QKD设备‘B’使用该修改后的量子信号和该接收的量子信号生成密钥。

Description

连续变量量子密钥分发(CV-QKD)系统中的后接收同步
技术领域
本发明一般涉及连续变量量子密钥分发(Continuous-Variable Quantum KeyDistribution，CV-QKD)领域，更具体地，涉及一种用于实现CV-QKD中的后接收同步的CV-QKD系统、发射机CV-QKD设备、接收机CV-QKD设备以及对应的方法。本发明应用CV-QKD技术，该技术以通过量子物理学来保证密钥生成安全性的方式来生成密钥。
背景技术
在传统光学数据通信中，窃听者通过分离并检测一小部分携带光的信息能够获取传输信号。若想从加密信号中提取数据，窃听者需要具备获取密钥的装置。在传统的设备和方法中，通过由计算复杂性所保护的Diffie-Hellman(DH)或Rivest-Shamir-Adleman(RSA)等公钥交换协议，加密密钥通常分配于加密器和解密器之间。然而，问题也随之而现，即只要具备功能足够强大的量子计算机，基于这种密钥交换协议的加密就可能遭到破坏。更糟糕的是，所有这些以某种方式存储的加密数据都可能遭到追溯性破坏。
此外，与光数据通信相似，QKD发射机设备在对一串符号进行光编码后，将其发送给QKD接收机设备。QKD的安全性基于量子力学的不可克隆定理。想要复制光编码信号(或其一小部分)而又不留任何痕迹是不可能的。这种痕迹通常可以表示为附加的噪声源，即过量噪声。此外，基于对发送功率、信道损耗和过量噪声的估计，可以得出任何窃听者可访问信息的上限。而且，如果该上限足够小，就能够从QKD发射机设备和QKD接收机设备之间共享的信息中提取密钥。在一定条件下能证明这种密钥提取方法具有信息理论安全性。
再者，从应用的角度来看，QKD系统必须视为量子随机数发生器，其对于(相隔甚远的)双方都是可访问的。在没有输入信号的情况下，理想的相干检波器可对无偏基态进行测量。基态的测量基于不确定性原理，该原理来源于具有圆对称独立同正态分布的不可预测的量子随机数发生器。发射机设备可以通过注入信号来改变正态分布的平均值。接收机设备不再进行基态的测量，而是，例如从另一相干态进行测量。换句话说，发射机设备可以在接收机设备处对随机数发生器的概率进行调整。重要的是要认识到，与数据传输相比，传输信号本身不相关，不需要在接收机设备处进行重建。发射机设备处的接收状态信息才是启用密钥分发的原因。
对于严格的安全性分析，常常有必要将除基本散粒噪声之外的所有功率损耗和所有噪声归因于窃听者。这将窃听者置于一个仅受量子力学法则所限制的最强有力的位置。QKD中的发射功率一般为单光子水平，如波动频率为193THz、符号速率为10MHz时的发送功率为–90dBm。与检测中的散粒噪声相比，接收机处的信号较弱，其信噪比(signal-to-noiseratio，SNR)通常在-10dB至-20dB之间。对此类高载频窄带宽的微弱信号进行可靠地检测是一项艰巨的任务。更成问题的是，对于载波频率、采样频率和/或数据调整，发射机和接收机时钟在频率和/或相位上的不完全同步将导致额外的损耗和/或噪声。这种额外的损耗和噪声通常也认为是出自窃听者之手的攻击痕迹，可能阻止密钥生成。
CV-QKD需要载波、采样频率和相位的精确同步。本公开提出了一种前馈方法，该方法支持此类经信号检测具有高精度的同步任务。
在CV-QKD系统中，载波时钟同步技术有很多种。通常，必须区分“inline”本机振荡器设置和“local”本机振荡器设置。在“inline”本机振荡器设置中，接收机处没有单独的激光。在“inline”本机振荡器中，发射机时间将量子信号与光的强脉冲交织，然后在接收机处延迟，受随后的量子信号撞击。此外，由于该量子信号和该本机振荡器源自同一激光，因此即使在其相干时间内，量子信号通过带有一些剩余相位噪声的频率相位同步载波进行降频转换。这些方法的缺点是“inline”本机振荡器可能会将大量的能量溢出到量子时隙中，同样会阻止密钥生成。此外，由于本机振荡器是通过信道发送的，因此很可能掌握在窃听者手中。窃听者可以通过这种方式改变“inline”本机振荡器的功率，从而以不可检测的方式隐藏复制攻击，这意味着将失去所有安全性。
在“local”本机振荡器设置中，存在发射机和接收机侧激光。接收机侧激光需要在频率和相位上与发射机侧激光对齐。此操作通常通过锁定从发射机设备发送的导频音来完成。该导频音可以以不同极化发送，也可以通过频率或时间来分隔。因导频音不会泄露信息，因此可具有较强功率，并且从一开始就假定为对窃听者已知。与量子信号相比，这种强功率信号更容易发现，也具有更好的信噪比。通过高信噪比可以提取精确的频率和相位信息。该信息可用于光学对齐接收机侧激光或数字补偿误差。可以使用与量子信道相同或不同的检测器来检测导频音。
图17a、17b、17c和17d是传统软件定义的发射机和不同检测器实现可能性的示意图，其中，图17a是传统单正交内差或零差检测的示意图，图17b是传统双正交内差或零差检测的示意图，图17c是传统外差检测系统的示意图，图17d是传统CV-QKD发射机设备的示意图。
图17a和图17b示出了最常见设置中的量子信道检测，其中使用不同的检测器对导频音和量子信号进行检测。接收机侧激光EL用于对量子信道进行降频转换和探测。可以仅检测同相分量，即图17a中，要求EL的频率和相位与发射机侧激光精确对齐；也可以检测两个相位分量，即图17b中，仅要求EL的频率与发射机侧激光精确对齐。由于检测到两个相位空间分量，因此可以在以后的软件中校正相位。
图17c示出了外差检测，检测中放宽了频率和相位对齐，从而在软件中可以进行精确的频率和相位校正。粗略的频率对齐仍然是有必要的，这样可使传输信号保持在可检测的带宽内。从通信的角度来看，图17b和图17c所示的两种设置都达到了相同性能和相同SNR，然而，它们具有不同的实现问题。例如，虽然双正交零差或内差具有较大的光学复杂度，但在平衡检测器后基带信号会直接恢复，为给定的平衡检测器带宽提供了最大的信号检测带宽。而且，对于外差检测而言，其主要的复杂性在于电性域。由于检测到的信号仍会在中频进行调制，因此平衡检测器必须具有较大带宽来支持信号带宽。但是，基于以下两个原因外差检测对CV-QKD特别有利：原因之一是外差检测允许通过电子集成来降低系统复杂性，原因之二是电信号在电性域中检测后处理前进行了放大，提高了鲁棒性，从而放宽了对后续信号混合和处理阶段的要求。与提高原始符号率相比，减少系统中的损耗和噪声更有益于实现密钥率和严格安全模型的支持到达范围。
在光信道受来自同向、高功率、经典信道的拉曼噪声等额外宽带噪声所污染的场景下，与图17a和图17b中的设置相比，图17c中的外差设置只能支持额外宽频带噪声的一半，因为在镜像频带中遭受了额外宽频带噪声。因此，在经典信道与QKD信号在同一光纤上共同传播的场景中，外差设置可以显著减小到达范围和密钥速率。
很多CV-QKD设置与图17b中所示的设置类似，对量子信道和导频音使用不同的检测器。但需要复杂的光学系统，而且要求两个探测器互相同步。相比之下，外差检测器可以使用更简单的光学器件和同步方式来检测导频音和量子信道。
需要注意的是，要确保CV-QKD系统的安全性，需要进行多项测量。首先，如果每次测量仅检测到入射光的一个正交，则应将本机振荡器的相位随机化。这将允许获得两个正交，这对于检测基于压缩态的攻击是很有必要的。其次，需要保护系统免遭旁道攻击。其实现可以通过在发射机设备的输出和接收机设备的输入处添加隔离器和光滤波器，并监测发射机设备的输出和检测器处的散粒噪声。
Soh等人在国际顶级物理学期刊《Physical Review X》上，发表了《Self-Referenced Continuous-Variable Quantum Key Distribution Protocol》(Phys.Rev.X5,0410110(2015))。该文提出了新的CV-QKD协议，即自引用的CV-QKD，其消除了通信双方之间传输大功率本机振荡器的需求。
发明内容
本发明旨在改进传统的CV-QKD系统、CV-QKD发射机设备、CV-QKD接收机设备和方法。目的是实现QKD的新协议。此外，还解决了载波和采样时钟中包括恒定相位误差、频率偏移和相位噪声在内的多个同步问题。
具体地，本发明实施例提供了一种用于QKD的新协议，其中，在传输到接收机设备的测量之后，将缓存的传输信号进行数字同步。为了实现这一点，发射机设备可以发送带宽比有效量子信道更大的信号。该有效量子信道可以通过接收机设备处的测量来确定。此外，量子信道可以进行测量并传递给发射机设备。之后(即，在接收之后)，可以根据量子信道测量和接收机设备的处理情况来改变发送信号以使其与接收信号同步。在发射机设备处改变的信号可以进一步用于后处理和生成密钥。
根据本发明实施例的系统、设备和方法，由于发射机设备有权使用所有自由度，因此允许补偿同步误差，即使在具有单正交测量的设置中也是如此。它支持对涉及的任何时钟对所产生的同步误差进行数字补偿、高精度补偿以及前馈补偿，包括载波相位偏移、载波频率偏移、相位噪声、采样时钟相位偏移和采样时钟频率偏移。本发明的实施例容许用简单方法实现多设备同步，因此推动了测量设备无关的QKD的使能。
通过所附独立权利要求书中提供的实施例来实现本发明的目的，从属权利要求中进一步定义了实施例的有利实现方式。
本发明的第一方面提供一种用于操作连续变量量子密钥分发(CV-QKD)系统的方法，所述系统包括发射机CV-QKD设备‘A’和接收机CV-QKD设备‘B’；所述方法包括：所述发射机CV-QKD设备‘A’通过通信信道存储并发送量子信号，其中，所述量子信号具有第一相位、第一中心频率、第一脉冲形状以及第一带宽；所述接收机CV-QKD设备‘B’经由所述通信信道以及所述接收机CV-QKD设备‘B’的接收频带接收所述量子信号，所述接收频带具有第二中心频率和第二带宽，其中，所述第二中心频率相对于所述第一中心频率偏移由所述通信信道产生的频移，所述接收的量子信号具有第二相位和第二脉冲形状，其中，所述第二相位相对于所述第一相位偏移由所述通信信道产生的相移，所述第二脉冲形状相对于所述第一脉冲形状偏移由所述通信信道产生的时延；所接收机CV-QKD设备‘B’基于所述相移、所述频移、所述述时延和所述第一中心频率附近的所述第一带宽与所述第二中心频率附近的所述第二带宽之间的重叠产生的第三带宽来确定量子通信信道；所述接收机CV-QKD设备‘B’通过认证的通信信道将所述确定的量子通信信道传递给所述发射机CV-QKD设备‘A’；所述发射机CV-QKD设备‘A’通过基于所述确定的量子通信信道修改所述存储的量子信号来获取修改后的量子信号；以及所述发射机CV-QKD设备‘A’和所述接收机CV-QKD设备‘B’使用所述修改后的量子信号和所述接收的量子信号生成密钥。
第一方面的方法可以由包括至少一个发射机CV-QKD系统和一个接收机CV-QKD设备的CV-QKD系统执行。
所述接收的量子信号可以是接收机CV-QKD设备‘B’响应于传入的量子信号而生成的信号。该传入的量子信号是通信信道末端的量子信号。换句话说，所述接收机CV-QKD设备‘B’将传入版本的量子信号转换为接收的量子信号。该接收的量子信号可以做进一步处理或分析。
例如，可以在发送完成之后由接收机CV-QKD设备‘B’决定(即确定)实际传输量子信号。
此外，第一方面的所述方法可以解决载波频率偏移和采样时钟偏差(即，脉冲形状中的时延)的同步问题。此外，该方法还可以推广应用于相位噪声。此外，额外的认证信道可用于双向通信，其允许发射机CV-QKD设备‘A’和接收机CV-QKD设备‘B’之间交换信息。
根据第一方面的一种实现方式，所述第一带宽大于所述第三带宽；所述方法还包括：为所述发射机CV-QKD设备‘A’分配相较于为所述接收机CV-QKD设备‘B’分配的带宽更大的带宽，其中，为所述接收机CV-QKD设备‘B’分配的所述带宽在为所述发射机CV-QKD设备‘A’分配的所述带宽内。
根据第一方面的另一种实现方式，所述方法还包括基于高斯调制方案对所述量子信号进行调制，其中，每个量子信号都是从量子随机数发生器获得的，并且包括与CV-QKD系统的光场的同相分量相关联的实部和与所述光场的正交分量相关联的虚部。
本发明的实施例并不仅限于特定的调制，具体地，其独立于所使用的调制，并且可以用于任何调制。
根据第一方面的又一种实现方式，所述方法还包括：所述接收机CV-QKD设备‘B’接收所述发射机CV-QKD设备‘A’发送的所述量子信号的一部分。
根据第一方面的另一种实现方式，其中，包括以下至少一项：
所述相移与时间相关；
所述相移与频率相关；
所述频移与时间相关；
所述时延与时间相关；
所述时延与频率相关；
所述第三带宽与时间相关。
具体地，增加时间相关的相移可以通过乘以因子e-iφ(t).来表示。此外，φ(t)可以分为常量部分线性部分ωt和非线性部分/>这可能会得出结果/>其中通常被称为相移，ωt为频移，φ(t)为相位噪声。
根据第一方面的另一种实现方式，所述方法还包括：将所述发射机CV-QKD设备‘A’的量子信号升频转换为具有第一中频的单边带信号，和/或将所述接收机CV-QKD设备‘B’的量子信号从第二中频进行降频转换。
根据第一方面的又一种实现方式，所述方法还包括：为所述接收机CV-QKD设备‘B’的量子信号分配镜像频带，其中，所述发射机CV-QKD设备‘A’的量子信号的一部分在所述镜像频带内；所述方法还包括：所述接收机CV-QKD设备‘B’接收所述镜像频带内的所述发射机CV-QKD设备‘A’发送的所述量子信号的一部分。
根据第一方面的又一种实现方式，所述方法还包括：为所述接收机CV-QKD设备‘B’分配多个量子频带，每个量子频带与各自的第二中频相关联，其中，每个分配的量子频带具有镜像频带。
根据第一方面的又一种实现方式，所述方法还包括：所述接收机CV-QKD设备‘B’根据以下条件之一确定所述第二中频：
预定义的固定频率；
自适应方式的改变；
随机选择。
根据第一方面的又一种实现方式，所述方法还包括：所述发射机CV-QKD设备‘A’发送两个量子信号，每个量子信号具有不同的第一带宽，其中，所述两个量子信号包括：与各自的第一带宽相关联的第一传输量子信号，所述第一带宽等于所述接收机CV-QKD设备‘B’的给定已分配量子频带的第三带宽，其中，所述发射机CV-QKD设备‘A’的所述第一传输量子信号与所述接收机CV-QKD设备‘B’的所述给定已分配量子频带相重叠；以及与各自的第一带宽相关联的第二传输量子信号，所述第一带宽大于所述接收机CV-QKD设备‘B’的所述给定量子信号的所述镜像频带的所述第三带宽，所述第二传输量子信号在所述镜像频带内。
根据第一方面的又一种实现方式，所述方法还包括：所述接收机CV-QKD设备‘B’至少部分地接收所述第一传输量子信号和/或所述第二传输量子信号，使得所接收的信号在降频转换操作中进行混合。
根据第一方面的又一种实现方式，所述方法还包括：将一个或多个导频音和/或同步信道与所述量子通信信道进行复用，以估计与时间和/或频率相关的相移，和/或与时间相关的频移，和/或与时间和/或频率相关的时延；以及所述接收机CV-QKD设备‘B’基于所述估计的与时间和/或频率相关的相变确定所述量子通信信道。
根据第一方面的又一种实现方式，所述方法还包括：通过为所述量子信号分配第一组OFDM子信道并使用第二组OFDM子信道保护所述量子信号，利用正交频分复用技术(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)复用和/或解复用所述量子信号。
根据第一方面的又一种实现方式，所述方法还包括：通过分别为所述量子信号和所述同步信道分配第一组OFDM子信道和第二组OFDM子信道并使用第三组OFDM子信道保护所述量子信号，利用OFDM复用和/或解复用所述量子信号和所述同步信道。
根据第一方面的又一种实现方式，所述方法还包括：所述接收机CV-QKD设备‘B’对以下至少一项进行补偿：基于估计来自所述一个或多个导频音和/或所述同步信道的相位噪声的所述相移，和/或基于估计来自所述同步信道的时延的所述时延偏移。
根据第一方面的又一种实现方式，所述CV-QKD系统为基于测量设备无关的(Measurement-Device-Independent，MDI)-CV-QKD系统，所述系统包括多个QKD设备，所述多个QKD设备包括两个或多个发射机CV-QKD设备和至少一个接收机CV-QKD设备，其中，所述方法还包括：通过各自的通信信道为每个发射机CV-QKD设备存储并发送各自的量子信号，其中，各个量子信号具有各自的第一相位、各自的第一中心频率、各自的第一脉冲形状以及各自的第一带宽；所述接收机CV-QKD设备经由所述通信信道以及所述接收机CV-QKD设备‘B’的接收频带接收包括所述多个发送的量子信号的组合信号，所述接收频带具有第二中心频率和各自的第二带宽，其中，所述第二中心频率相对于所述第一中心频率偏移由所述通信信道产生的频移，所述接收的组合信号具有第二相位和第二脉冲形状，其中，所述第二相位相对于所述第一相位偏移由所述通信信道产生的相移，所述第二脉冲形状相对于所述第一脉冲形状偏移由所述通信信道产生的时延；基于所述相移、所述频移、所述时延以及所述第一中心频率附近的所述第一带宽与所述第二中心频率附近的所述第二带宽之间的重叠产生的第三带宽来确定所述量子通信信道；通过认证的通信信道传递所述确定的量子通信信道；通过基于各自确定的量子通信信道修改相应的存储的量子信号，为每个发射机CV-QKD设备单独获取各自的修改后的量子信号；以及使用各自修改后的量子信号和所述接收的组合量子信号产生密钥。
本发明的第二方面提供一种用于发射机CV-QKD设备‘A’的方法，其中，所述方法包括：通过通信信道向接收机CV-QKD设备‘B’发送并存储量子信号，其中，所述量子信号具有第一相位、第一中心频率、第一脉冲形状以及第一带宽；通过认证的通信信道从所述接收机CV-QKD设备‘B’接收确定的量子通信信道、相移、频移、时延以及第三带宽；通过基于所述相移、所述频移、所述时延以及所述第三带宽对所述存储的量子信号进行修改来获取修改后的量子信号；以及使用所述修改后的量子信号生成密钥。
第二方面的所述方法可以由发射机CV-QKD设备和/或CV-QKD系统执行。
根据第二方面的另一种实现方式，所述方法还包括：将量子信号升频转换为具有第一中频的单边带信号。
根据第二方面的又一种实现方式，所述方法还包括：发送两个量子信号，每个量子信号具有不同的第一带宽，其中，所述两个量子信号包括：与各自的第一带宽相关联的第一传输量子信号，所述第一带宽等于所述接收机CV-QKD设备‘B’的给定已分配量子频带的第三带宽，其中，所述发射机CV-QKD设备‘A’的所述第一传输量子信号与所述接收机CV-QKD设备‘B’的所述给定已分配量子频带相重叠；以及与各自的第一带宽相关联的第二传输量子信号，所述第一带宽大于所述接收机CV-QKD设备‘B’的所述给定量子信号的所述镜像频带的所述第三带宽，所述第二传输量子信号在所述镜像频带内。
根据第二方面的又一种实现方式，所述第一带宽大于所述第三带宽；所述方法还包括：为所述发射机CV-QKD设备‘A’分配相较于为所述接收机CV-QKD设备‘B’分配的带宽更大的带宽，其中，为所述接收机CV-QKD设备‘B’分配的所述带宽在为所述发射机CV-QKD设备‘A’分配的所述带宽内。
根据第二方面的另一种实现方式，所述方法还包括基于高斯调制方案对所述量子信号进行调制，其中，每个量子信号都是从量子随机数发生器获得的，包括与CV-QKD系统的光场的同相分量相关联的实部和与所述光场的正交分量相关联的虚部。
根据第二方面的另一种实现方式，其中，包括以下至少一项：
所述相移与时间相关；
所述相移与频率相关；
所述频移与时间相关；
所述时延与时间相关；
所述时延与频率相关；
所述第三带宽与时间相关。
本发明的第三方面提供一种CV-QKD设备‘A’，用于执行所述第二方面或所述第二方面的一种实现方式的方法的步骤。
所述CV-QKD设备‘A’可以是发射机CV-QKD设备。此外，所述发射机CV-QKD设备‘A’可以包括电路。所述电路可以包括硬件和软件。所述硬件可包括模拟电路或数字电路，或者两者都包括。在一些实施例中，所述电路包括一个或多个处理器和连接至该一个或多个处理器的非易失性存储器。所述非易失性存储器可以携带可执行程序代码，当所述可执行程序代码由所述一个或多个处理器执行时，使得所述设备执行本文所述的操作或方法。
本发明的第四方面提供一种计算机程序，用于控制CV-QKD设备‘A’执行所述第二方面或所述第二方面的一种实现方式的方法的步骤。
本发明的第五方面提供一种用于接收机CV-QKD设备‘B’的方法，其中，所述方法包括：通过通信信道从发射机CV-QKD设备‘A’接收发送的量子信号，所述发送的量子信号具有第一相位、第一中心频率、第一脉冲形状以及第一带宽，所述发送的量子信号经由所述通信信道以及所述接收机CV-QKD设备‘B’的接收频带，所述接收频带具有第二中心频率和第二带宽，其中，所述第二中心频率相对于所述第一中心频率偏移由所述通信信道产生的频移，所述接收的量子信号具有第二相位和第二脉冲形状，其中，所述第二相位相对于所述第一相位偏移由所述量子通信信道产生的相移，所述第二脉冲形状相对于所述第一脉冲形状偏移由所述通信信道产生的时延；基于所述接收的量子信号、所述相移、所述频移、所述时延以及所述第一中心频率附近的所述第一带宽与所述第二中心频率附近的所述第二带宽之间的重叠产生的第三带宽来确定量子通信信道；通过认证的通信信道向所述发射机CV-QKD设备‘A’发送所述确定的量子通信信道、所述相移、所述频移、所述时延以及所述第三带宽；以及使用所述接收的量子信号生成密钥。
所述接收的量子信号可以是接收机CV-QKD设备‘B’响应于传入的量子信号而生成的信号。该传入的量子信号是通信信道末端的量子信号。换句话说，接收机CV-QKD设备‘B’将传入版本的量子信号转换为接收的量子信号。该接收的量子信号可以做进一步处理或分析。
所述第五方面的方法可以由接收机CV-QKD设备和/或CV-QKD系统执行。
根据第五方面的另一种实现方式，所述方法还包括：接收所述发射机CV-QKD设备‘A’发送的所述量子信号的一部分。
根据第五方面的又一种实现方式，所述第一带宽大于所述第三带宽；所述方法还包括：为所述发射机CV-QKD设备‘A’分配相较于为所述接收机CV-QKD设备‘B’分配的带宽更大的带宽，其中，为所述接收机CV-QKD设备‘B’分配的所述带宽在为所述发射机CV-QKD设备‘A’分配的所述带宽内。
根据第五方面的又一种实现方式，所述方法还包括：所述接收机CV-QKD设备‘B’接收所述发射机CV-QKD设备‘A’发送的所述量子信号的一部分。
根据第五方面的又一种实现方式，其中，包括以下至少一项：
所述相移与时间相关；
所述相移与频率相关；
所述频移与时间相关；
所述时延与时间相关；
所述时延与频率相关；
所述第三带宽与时间相关。
根据第五方面的又一种实现方式，所述方法还包括：从第二中频降频转换量子信号。
根据第五方面的又一种实现方式，所述方法还包括：为给定的量子信号分配镜像频带，其中，所述发射机CV-QKD设备‘A’的量子信号的一部分在所述镜像频带内；所述方法还包括：接收所述镜像频带内的所述发射机CV-QKD设备‘A’发送的所述量子信号的一部分。
根据第五方面的又一种实现方式，所述方法还包括：分配多个量子频带，每个量子频带与各自的第二中频相关联，其中，每个分配的量子频带具有镜像频带。
根据第五方面的又一种实现方式，所述方法还包括：所述接收机CV-QKD设备‘B’根据以下条件之一确定所述第二中频：
预定义的固定频率；
自适应方式的改变；
随机选择。
根据第五方面的又一种实现方式，所述方法还包括：从所述发射机CV-QKD设备‘A’至少部分地接收其发送的两个具有不同第一带宽的量子信号，使得所接收的信号在降频转换操作中进行混合。
根据第五方面的又一种实现方式，所述方法还包括：对以下至少一项进行补偿：基于估计来自所述一个或多个导频音和/或所述同步信道的相位噪声的所述相移，和/或基于估计来自所述同步信道的时延的所述时延偏移。
本发明第六方面提供了一种CV-QKD设备‘B’，用于执行所述第五方面或所述第五方面的一种实现方式的方法的步骤。
所述CV-QKD设备‘B’可以是接收机CV-QKD设备。所述接收机CV-QKD设备‘B’可以包括电路。所述电路可以包括硬件和软件。所述硬件可包括模拟电路或数字电路，或者两者都包括。在一些实施例中，所述电路包括一个或多个处理器和连接至所述一个或多个处理器的非易失性存储器。所述非易失性存储器可以携带可执行程序代码，当所述可执行程序代码由所述一个或多个处理器执行时，使得所述设备执行本文所述的操作或方法。
本发明第七方面提供了一种计算机程序，用于控制CV-QKD设备‘B’执行所述第五方面或所述第五方面的一种实现方式的方法的步骤。
应注意，本申请中所描述的所有设备、元件、单元和装置均可以以软件或硬件元件或其任何种类的组合来实现。本申请中描述的各种实体所执行的所有步骤以及描述为将由所述各种实体执行的功能旨在表示所述各种实体适于或用于执行所述各个步骤和功能。在以下具体实施例的描述中，即使外部实体要执行的特定功能或步骤没有在执行该特定步骤或功能的实体的特定详细要素的描述中反映，本领域技术人员应当清楚，这些方法和功能可以在各自的软件或硬件元件中实现，或者在其任何种类的组合中实现。
附图说明
下面将结合附图在具体实施例的描述中对本发明的上述方面以及实现方式作进一步的解释，其中：
图1是本发明实施例提供的一种用于操作CV-QKD系统的方法的流程图，其中，该CV-QKD系统包括发射机CV-QKD设备‘A’和接收机CV-QKD设备‘B’。
图2是本发明实施例提供的一种用于发射机CV-QKD设备‘A’的方法的流程图。
图3是本发明实施例提供的一种用于接收机CV-QKD设备‘B’的方法的流程图。
图4是一种包括发射机CV-QKD设备‘A’和接收机CV-QKD设备‘B’的CV-QKD系统的示意图。
图5是加性高斯白噪声模型的基带表示的示意图，其中，该模型具有传输信号与时间相关的信道h(t)、散粒噪声η(t)以及接收信号y(t)。
图6是扩展基带模型的示意图，其中，与时间相关的相变(phase change)是在接收机处测量的并且应用在发射机处，以提取有效传输信号x(t)。
图7是多个CV-QKD设备之间进行同步的示意图。
图8a和图8b是发射机和接收机的潜在带宽分配的示意图之一，其中，发射激光和接收激光在相位和频率上并未对齐，且发射侧带宽大于接收机带宽。
图9是反向同步的示意图。
图10是发射机和接收机的潜在带宽分配的另一示意图，其中发射激光和接收激光在相位和频率上并未对齐，且发射侧带宽大于接收机带宽。
图11是多个量子频带的潜在带宽分配的示意图之一。
图12a和图12b是潜在带宽分配的示意图，其中，一个边带是固定的。
图13是多个量子频带的潜在带宽分配的另一示意图。
图14是多个量子信道的潜在带宽分配的示意图，其中，该多个量子信道对于一个边带是固定的。
图15是两个发射机和单个接收机的潜在带宽分配的示意图，其中发射激光和接收激光在相位和频率上并未对齐，且每个发射侧带宽都大于接收机带宽。
图16是反向同步理念适应MDI-CVQKD的示意图。
图17a、17b、17c和17d是传统软件定义的发射机和不同探测器实现可能性的示意图。
具体实施方式
图1是本发明实施例提供的一种用于操作CV-QKD系统的方法100的流程图，其中，该CV-QKD系统包括发射机CV-QKD设备‘A’和接收机CV-QKD设备‘B’。
该方法100可以由CV-QKD系统，例如图4中的CV-QKD系统400执行。该CV-QKD系统可以包括发射机CV-QKD设备和接收机CV-QKD设备。在不限制本公开的情况下，图1示例性地描述为一种由图4中的CV-QKD系统400所执行的方法，其中，该方法的一些步骤由图4中的发射机CV-QKD设备‘A’420执行，一些步骤由图4中的接收机CV-QKD设备‘B’430执行。
方法100包括步骤101：发射机CV-QKD设备‘A’420通过通信信道410存储并发送量子信号，其中，该量子信号具有第一相位、第一中心频率、第一脉冲形状以及第一带宽。
方法100还包括步骤102：接收机CV-QKD设备‘B’430经由通信信道410以及接收机CV-QKD设备‘B’430的接收频带接收该量子信号，该接收频带具有第二中心频率和第二带宽，其中，该第二中心频率相对于该第一中心频率偏移由通信信道410产生的频移，该接收的量子信号具有第二相位和第二脉冲形状，其中，该第二相位相对于该第一相位偏移由通信信道410产生的相移，该第二脉冲形状相对于该第一脉冲形状偏移由通信信道410产生的时延。
该接收的量子信号可以是接收机CV-QKD设备‘B’响应于传入的量子信号而生成的信号。该传入的量子信号是通信信道末端的量子信号。换句话说，接收机CV-QKD设备‘B’将传入版本的量子信号转换为接收的量子信号。该接收的量子信号可以做进一步处理或分析。
方法100还包括步骤103：接收机CV-QKD设备‘B’430基于该相移、该频移、该时延以及该第一中心频率附近的该第一带宽与该第二中心频率附近的该第二带宽之间的重叠产生的第三带宽来确定量子通信信道。
方法100还包括步骤104：接收机CV-QKD设备‘B’430通过认证的通信信道将该确定的量子通信信道传递给发射机CV-QKD设备‘A’420。
方法100还包括步骤105：发射机CV-QKD设备‘A’420通过基于该确定的量子通信信道修改该存储的量子信号来获取修改后的量子信号。
方法100还包括步骤106：发射机CV-QKD设备‘A’420和接收机CV-QKD设备‘B’430使用该修改后的量子信号和该接收的量子信号生成密钥。
参阅图2，图2是用于发射机CV-QKD设备‘A’420的方法200的流程图。
方法200可以由发射机CV-QKD设备‘A’420(和/或CV-QKD系统400)执行。
方法200包括步骤201：通过通信信道410向接收机CV-QKD设备‘B’430发送并存储量子信号，其中，该量子信号具有第一相位、第一中心频率、第一脉冲形状以及第一带宽。
方法200还包括步骤202：通过认证的通信信道从接收机CV-QKD设备‘B’430接收确定的量子通信信道410、相移、频移、时延以及第三带宽。
方法200还包括步骤203：通过基于该相移、该频移、该时延以及该第三带宽对该存储的量子信号进行修改来获取修改后的量子信号。
方法200还包括步骤204：使用该修改后的量子信号生成密钥。
参阅图3，图3是用于接收机CV-QKD设备‘B’的方法的流程图。
方法300可以由接收机CV-QKD设备‘B’430(和/或CV-QKD系统400)执行。
方法300包括步骤301：通过通信信道410从发射机CV-QKD设备‘A’420接收发送的量子信号，该发送的量子信号具有第一相位、第一中心频率、第一脉冲形状以及第一带宽，该发送的量子信号经由通信信道410以及接收机CV-QKD设备‘B’430的接收频带，该接收频带具有第二中心频率和第二带宽，其中，该第二中心频率相对于该第一中心频率偏移由通信信道410产生的频移，该接收的量子信号具有第二相位和第二脉冲形状，其中，该第二相位相对于该第一相位偏移由量子通信信道410产生的相移，该第二脉冲形状相对于该第一脉冲形状偏移由通信信道410产生的时延。
方法300还包括步骤302：基于该接收的量子信号、该相移、该频移、该时延以及该第一中心频率附近的该第一带宽与该第二中心频率附近的该第二带宽之间的重叠产生的第三带宽来确定量子通信信道。
方法300还包括步骤303：通过认证的通信信道向发射机CV-QKD设备‘A’420发送该确定的量子通信信道、该相移、该频移、该时延以及该第三带宽。
方法300还包括步骤304：使用该接收的量子信号生成密钥。
参阅图4，图4是一种包括发射机CV-QKD设备‘A’420和接收机CV-QKD设备‘B’430的CV-QKD系统400的示意图。
CV-QKD系统400包括通信信道410、发射机CV-QKD设备‘A’420以及接收机CV-QKD设备‘B’430。
此外，例如，CV-QKD系统400可以用于执行第一方面或第一方面的一种实现方式的方法，例如，CV-QKD系统400可以用于执行图1中所描述的方法100。
CV-QKD系统400包括发射机CV-QKD设备‘A’420。例如，发射机CV-QKD设备‘A’420可以用于执行第二方面或第二方面的一种实现方式的方法的步骤。例如，发射机CV-QKD设备‘A’420可以用于执行图2中所描述的方法200。
发射机CV-QKD设备‘A’420可以包括电路(图4中未示出)。该电路可以包括硬件和软件。该硬件可包括模拟电路或数字电路，或者两者都包括。在一些实施例中，该电路包括一个或多个处理器以及连接至该一个或多个处理器的非易失性存储器。该非易失性存储器可以携带可执行程序代码，当该可执行程序代码由该一个或多个处理器执行时，该设备执行本文所述的操作或方法。
CV-QKD系统400还包括接收机CV-QKD设备‘B’430。例如，接收机CV-QKD设备‘B’430可以用于执行第五方面或第五方面的一种实现方式的方法的步骤。例如，接收机CV-QKD设备‘B’430可以用于执行图3中所描述的方法300。
接收机CV-QKD设备‘B’430可以包括电路(图4中未示出)。该电路可以包括硬件和软件。该硬件可包括模拟电路或数字电路，或者两者都包括。在一些实施例中，该电路包括一个或多个处理器以及连接至该一个或多个处理器的非易失性存储器。该非易失性存储器可以携带可执行程序代码，当该可执行程序代码由该一个或多个处理器执行时，该设备执行本文所述的操作或方法。
例如，可以提出新的QKD协议。在该协议中，发射机CV-QKD设备‘A’420发送并记忆信号(一系列状态)，该信号具有比有效量子信道更大的带宽或波特率。发射机CV-QKD设备‘A’420未提前获知如何将该传输信号转换为量子信道。在该信道中，由于发射机CV-QKD设备‘A’420和接收机CV-QKD设备‘B’430不完善，该传输信号受到卷积且与时间相关的相变的干扰。例如，发射激光和接收激光的相位和频率可能不同，由于激光的质量有限等原因可能会引入相位噪声。发射机CV-QKD设备‘A’420处的数字模拟转换器(Digital to AnalogConvertor，DAC)时钟与接收机CV-QKD设备‘B’430处的模拟数字转换器(Analog toDigital Convertor，ADC)时钟可能具有不同的相位和频率。所有这些影响都可能导致信号产生与时间和/或频率有关的相变，可能导致损耗甚至噪声。
抽象地说，可以用理想的加性高斯白噪声信道对CV-QKD系统400进行建模。为简单起见，参见图5中与频率无关的信道。
参阅图5，图5是加性高斯白噪声模型的基带表示的示意图500，其中，该模型具有传输信号与时间相关的信道h(t)，散粒噪声η(t)以及接收信号y(t)。此外，为简单起见，未考虑信道可能的频率依赖性。
此外，可以通过例如接收机CV-QKD设备‘B’430(和/或由接收机CV-QKD设备‘B’430执行的方法300)的测量和处理确定有效量子信道。例如，基于导频音、另一业务信道或该量子信道的公开部分来测量与时间和/或频率有关的相变或其一部分(时间常数、线性时间、高阶时间)。该信息可以进一步传递给发射机CV-QKD设备‘A’420，然后将相变以及接收机处理应用于所记忆的传输信号。该步骤可以将原始的传输信号转换成有效传输信号，参见图6中与频率无关的情况。该有效传输信号在后处理中将用于生成密钥。
参阅图6，图6是扩展基带模型的示意图600，其中，与时间相关的相变是在接收机CV-QKD设备‘B’430处测量的，应用在该发射机CV-QKD设备‘A’420处，以提取有效传输信号x(t)。为简单起见，未考虑附加的接收处理和可能的频率依赖性。
本文所述技术的主要优点之一是不再需要模拟相位同步，并且基本上降低了对模拟频率同步的需求。降低了载波频率同步的需求，接收机CV-QKD设备‘B’430只需捕获该传输信号的某部分。由于发射机CV-QKD设备‘A’420在接收机CV-QKD设备‘B’430进行坍缩之前可获得所有自由度，因此这种简化甚至适用于单正交测量(例如，参见图17a)。该协议能够实现“local”本机振荡器设置中图17a的先前禁止，因此允许简化模拟信号处理阶段。
与传统设备和方法的主要区别之一在于，发射机CV-QKD设备‘A’420利用增加的带宽进行发送。在传输带宽不增加的情况下，只有恒定的相位误差才能用这种方法进行校正。该协议还允许容忍载波频率偏移、相位噪声、采样时钟偏移以及时钟偏差。
参阅图7，图7是多个设备之间进行同步的示意图700。每个发射机CV-QKD设备‘A’通过与时间相关的信道hk(t)发送信号所有信号与散粒噪声n(t)一同测量，以得到接收信号y(t)。所有信道旋转/>都需要测量，并传递给各自的发射机CV-QKD设备‘A’。发射机CV-QKD设备‘A’可以应用各个通道旋转，以分别获取其有效传输信号x_k(t)。为简单起见，省略了额外的接收处理和信道的潜在频率依赖性
这一构思能够同步图7所示的多个量子密钥分布设备。因此，实质上有利于促进图16所示的测量设备无关的量子密钥分布(MDI-QKD)的实现。再者，有效传输信号可以用于后处理。
下文描述了所提出技术的实现方式的示例。下面给出的数值仅是示例，也可以使用其他数值。
发射侧量子信号可以按如下所述进行存储并发送。例如，符号索引为n的复杂传输符号是从较高层接收的，或是从量子随机数发生器获取的。可以对这些符号进行任意调制，该调制在任何旋转下都保持其特性，并用X和P(同相和正交)分量组成的相干状态(相空间表象)来表示。例如，可以通过复杂的高斯调制来实现。数据可能会上采样到200MS/s并呈脉冲状，例如，使用平方根升余弦滤波器(β＝0.35)来获取样本索引为m的样本/>的序列。对于可能的信道分配，参见图8a和图8b。/>
发射机CV-QKD设备‘A’420的发射侧模拟处理可以按以下方式执行。
例如，发射机CV-QKD设备‘A’420(例如，图17d中所示的发射软件)可以与连续波激光一起运行。数字域中脉冲整形可能已完成。DAC输出处的模拟低通滤波器会抑制数字混叠片段，数字和模拟低通滤波器的组合确保信号功率集中在传输带宽内。然后，将模拟信号调制到光载波上。
另外，调制器采用输出功率为11dBm的1550nm激光进行馈送。从图17d可以看出，该调制器的输出可以采用可变衰减器进行衰减。此外，在该信号离开发射机CV-QKD设备‘A’420之前，可能采用20dB的耦合器进行分路。可以通过功率计观察到几乎全部功率的强臂，而弱臂可以发送到接收机CV-QKD设备‘B’430。
下文中，由得出并由发射机CV-QKD设备‘A’420发射的相干态序列在基带内通常称为/>实部与光场的同相分量(cos)相关联，而虚部与该光场的正交分量(-sin)相关联。根据以下等式(1)进行该场的傅里叶变换：
其中，BTX和ωTX分别为复杂带宽和载波频率，为升频转换的/>的频率域表象，且/>针对个别偏移频率ω，可以根据以下等式分别得出关于该发射激光的同相和正交分量。
量子力学上传输状态可由等式(4)表示如下：
其中，为ω1和ω2之间的连续ω的所有模式|x(ω)>的张量积。该表示法之所以繁琐是由于存在带宽有限的多模系统。假定带宽以外的所有模式都处于真空状态。
此外，可以确定量子通信信道410，例如对于有限的带宽和功率，可以假设发射机CV-QKD设备‘A’420的数字域与接收机CV-QKD设备‘B’430的数字域之间的实际信道可以建模为加性高斯白噪声信道(参见图5)。量子通信信道410具有与时间相关的单抽头系数和与时间相关的附加系数，单抽头系数中引入损耗T和潜在相变/>附加系数中引入噪声η(t)。
该损耗由光纤等传输介质引起。附加损耗可能由接收机硬件缺陷所引起，如由接收机CV-QKD设备‘B’430中光学元件的插入损耗和/或检测器的真实量子效率所引起。由于传输功率测量的精度有限，在本发明一些实施例中，通过假设最坏情况下的发射功率可能会增加额外的损耗。
例如，发射机CV-QKD设备‘A’420侧载波与接收机CV-QKD设备‘B’430侧载波在相位上不同步可能会引起恒定相变。此外，发射机CV-QKD设备‘A’420侧载波与接收机CV-QKD设备‘B’430侧载波在频率上不同步可能会引起时间上的线性相变。此外，非线性相变可能由相位噪声引起。
不确定性原理将加性噪声的功率下限定为散粒噪声的功率。散粒噪声之外的噪声可能由发射机CV-QKD设备‘A’420和/或接收机CV-QKD设备‘B’430的硬件缺陷所引起，例如ADC或DAC的有限分辨率和/或检测器的电子噪声。附加噪声也可能源自光学放大器、光纤中的非线性效应(如拉曼发射)以及窃听攻击。
如图5的图500所示，在等效基带模型中，量子通信信道410的运算通常可根据等式(5)进行描述：
基于傅里叶变换的光场可根据等式(6)得出：
其中，发射机CV-QKD设备‘A’420的带宽限制不予考虑。假设系统中只存在散粒噪声，可以根据等式(7)对其进行量子力学描述：
其中，该接收状态称为参见图9。
此外，接收机侧的模拟处理可以由接收机CV-QKD设备‘B’430等执行。例如，信号在量子通信信道410上传播后，可以进行单正交检测(例如，根据图17a)。然而，接收机激光在相位或频率上未与发射机侧激光对齐。仅能确定的是接收机CV-QKD设备‘B’430检测传输信号的某部分。对于带宽分配的示例，参见图8a和图8b。
参阅图8a和图8b，图8a和图8b为发射机CV-QKD设备‘A’420和接收机CV-QKD设备‘B’430的潜在带宽分配的示意图800a和800b。发射激光和接收激光在相位和频率上并未对齐，且发射侧带宽大于接收机带宽。图8a和图8b中仅发射机CV-QKD设备‘A’420和接收机CV-QKD设备‘B’430之间的可接受频率差的瞬时实现不同。唯一的要求是接收机CV-QKD设备‘B’430捕获该传输信号的某部分。这种频率差源于自由振荡激光的特性等，可能随着时间的推移而迅速变化。
该运算可以描述为与带宽限制相结合的降频转换。在不失一般性的情况下，接收机侧激光的相位设置为零。基于光场的傅立叶变换描述，同相测量通常可以根据等式(8)进行描述：
/>
其中，假设相关信号Tx(t)+n(t)在接收机CV-QKD设备‘B’430带宽内。要注意的是，此处的同相分量是指接收机CV-QKD设备‘B’430，而非发射机CV-QKD设备‘A’420或量子通信信道410。降频转换后的信号以及同相和正交分量的释义可能取决于接收机侧的激光频率，例如：
和
等效地，在本发明一些实施例中，维数约减可能归因于频率高于接收机侧激光的分量与频率低于接收机侧激光的分量不可逆地组合。量子力学运算可以根据等式(11)进行描述：
其中，是模式ω的同相分量的测量算符，上标(·)H表示共轭转置。可以根据等式(12)进一步组合测量运算符：
该测量可以将二维光场投射到接收机CV-QKD设备‘B’430所选择的相位上。此外，如果该接收机在相位和频率上与发射机CV-QKD设备‘A’420完全对齐(这是一项必须在模拟域中完成的艰巨任务)，则其可以获得所发送的同相分量。如果接收机CV-QKD设备‘B’430在相位和频率上未与发射机CV-QKD设备‘A’420完全对齐，则其只能获得一些同相和正交分量的叠加。迫使接收机CV-QKD设备‘B’430在发射机CV-QKD设备‘A’420给出的两个分量之间选择其一可能会显著降低信号质量。此外，由于发射机CV-QKD设备‘A’420仍然知道其传输信号及两个自由度，因此无需接收机CV-QKD设备‘B’430确定同相分量的含义。
本机振荡器的输出功率为7dBm，信号通过平衡检测器进行检测，其中散粒噪声与电子噪声之比超过20dB。通过对过量噪声进行在线测量，可以确定这是CV-QKD系统中除散粒噪声之外的主要噪声源。对平衡检测器的放大输出进行直流阻断、低通滤波，然后以200MS/s的采样率转换为数字信号。
此外，可以进行接收机侧量子信道处理。例如，数字化之后，数字处理第一步的其中一项可以是散粒噪声归一化，将数据归一化为散粒噪声的均方根值。这里是在加窗重叠和保存过程中针对每个频率仓在频域中分别完成的。可以在校准例程期间及时计算归一化值，该校准例程可与数据接收连续交织(例如，10s校准、利用光开关实现10秒环路接收等)。可以使用等式(13)获得样本。
其中，该样本是通过样本指标m获得的。该接收机设备的模拟带宽限制之外，接收机CV-QKD设备‘B’430还可以应用数字滤波操作，例如根余弦滤波器和/或降频转换，以便提取有效量子信道的测量。这可以用滤波器g[m]的估计卷积及随后等式(14)的向下取样来表示：
其中，n为符号索引。可以将恢复的符号移交至该接收机侧的后处理阶段(例如，图9中的步骤901)。
另外，可以估计接收机侧相位噪声、载波频率偏移、恒定相位，例如，以某种方式，可以从接收信号获得数字估计(例如，图9中的步骤902)来估计信道/>的与时间相关的相变。
如前所述，可以恢复发射侧信号，例如，将量子通信信道410(包括接收机CV-QKD设备‘B’430硬件和发射机CV-QKD设备‘A’420的硬件)引入的接收机侧估计的与时间相关的相变传递到发射机CV-QKD设备‘A’420(例如，图9中的步骤903)。该相变可以包括有关恒定相变、载波频率偏移和/或相位噪声的所有信息。现在将与时间相关的相变/>和接收机侧的量子信道处理g[m](例如，根余弦滤波器)应用于先前发送并记忆的信号/>如下所示：
此外，从原始传输信号中以这种方式提取的信号现在在相位和频率上与接收机侧测量/>对齐。之后，将/>移交到该发射机侧进行后处理(例如，图9中的步骤904)。该步骤中，假设发射机CV-QKD设备‘A’420和接收机CV-QKD设备‘B’430处的采样时钟完全对齐。
参阅图9，图9是反向同步的示意图900。传输状态在幅度和相位上受到量子通信信道410的干扰。量子通信信道410包括发射机CV-QKD设备‘A’420硬件、接收机CV-QKD设备‘B’430硬件、接收机CV-QKD设备‘B’430的潜在相位/频率随机化。
步骤901，接收机CV-QKD设备‘B’430进行单正交测量，获得相对于接收机侧激光的同相分量。该信息视为有效的量子信道测量。
步骤902，接收机CV-QKD设备‘B’430另外估计由该信道引入的与时间相关的相变。步骤903，将该信息传递给发射机CV-QKD设备‘A’420。
步骤904，发射机CV-QKD设备‘A’420将该与时间相关的相变应用于先前发送并记忆的信号，获得发射侧的有效量子信号。
可以估计量子通信信道410参数，例如，从信号处理角度来看，设置的关键性能指标是除散粒噪声之外的噪声，对最终密钥速率具有严重影响。主要噪声可以是接收机侧放大器的电子噪声。在某些安全假设下，该噪声源可能是可信的，因此可以忽略不计。通过从量子信道中的总均方根值中减去校准的散粒噪声、校准的电子噪声和恢复信号的均方根值，可以估计除散粒噪声之外的剩余噪声。该CV-QKD系统的典型优点就在于将该值归一化为散粒噪声的均方根值来表示。
此外，可以使用多抽头信道，例如，利用频率选择性信道，使量子通信信道410成为与时间相关的卷积。必须估计与时间和频率有关的信道，将其传递到发射机CV-QKD设备‘A’420，并应用于发射机CV-QKD设备‘A’420处。频率和时间依赖性允许对DAC和ADC时钟中的相位和频率失调等影响进行建模。例如，分数时延由最佳时间未达到接收符号的ADC采样引起，将显示为频率线性的频率选择性相变。此外，在这种障碍下，发射机CV-QKD设备‘A’420和接收机CV-QKD设备‘B’430还有可能会同步。最佳采样时间由接收机CV-QKD设备‘B’430决定，而发射机CV-QKD设备‘A’420必须通过应用与频率和时间相关的相变来遵循该决定。
此外，可以随机化相位和/或频率(例如，出于安全原因，对接收机侧激光的附加相位和/或频率进行随机化)，可以包含在估计的与时间相关的相变中传递到该发射机。
另外，带宽分配和接收机结构可以基于双正交检测、升频转换发射机、外差检测等。
在没有锁定相而对频率锁定具有有限要求的双正交检测(例如，如图17b中所示的双正交检测)中，接收机CV-QKD设备‘B’430可以检测该传输信号的某部分。
在升频转换发射机中(例如，光调制之前在发射机处进行电气和/或数字升频转换步骤)，电气升频转换的完成需要四个DAC信号馈送两个上变频器，然后两个上变频器馈送调制器的两个输入。这样做的优点在于发射机CV-QKD设备‘A’420的闪烁噪声和不完善的DC抑制不会引入过量噪声。可能的带宽配置如图10所示。
在外差检测(例如，接收机侧进行的数字和/或电气降频转换)中，电气降频转换的描述与图17c中的类似。中频可以是固定的，也可以是随机选择的。这样设置的优点是接收机的闪烁噪声不会引入过量噪声。可能的带宽分配如图10所示。
参阅图10，图10为发射机CV-QKD设备‘A’420和接收机CV-QKD设备‘B’430的潜在带宽分配的另一示意图1000。发射激光和接收激光在相位和频率上未对齐，并且发射侧带宽大于接收机带宽。要注意的是，发射侧激光和接收侧激光之间的频率差是示例性的，可能会随时间变化。该发射信号升频转换为具有中频(TXωIF)的单边带信号。接收机侧信号从中频(RX±ωIF)降频转换，例如，如图17c中的设置所示。值得注意的是，高带宽传输信号的某部分也落入接收机CV-QKD设备‘B’430的镜像频带中。唯一的要求是接收机CV-QKD设备‘B’430捕获该传输信号的某部分。接收机CV-QKD设备‘B’430处的中频可以设置为固定的，也可以随时间变化，可以是预定义的或自适应的，甚至也可以是随机选择的。
参阅图11，图11是多个量子频带的潜在带宽分配的示意图1100。每个频带在接收机CV-QKD设备‘B’430处具有其自身的中频ωIF,k。从接收机CV-QKD设备‘B’430来看，每个频带都有一个在-ωIF,k处的镜像频带k。测量时，每个频带与镜像频带对(ωIF,k，-ωIF,k)可能会坍缩到单个结果中。发射侧激光和接收侧激光之间的频率差是示例性的，可能会随时间变化。接收机CV-QKD设备‘B’430处的各个中频可以设置为固定的，也可以随时间变化，可以是预定义的或自适应的。只要不重叠，甚至也可以是随机选择的。
如图11所示，在多个量子频带的外差检测中，每个频带具有其自己的中频。发射机CV-QKD设备‘A’420可以进行升频转换，也可以不进行升频转换。
参阅图12a和图12b，图12a和图12b是潜在带宽分配的示意图1200a和1200b，其中，一个边带是固定的。由于发射激光和接收激光在相位或频率上未锁定，所以接收机CV-QKD设备‘B’430需要使用连续适应的中频来运行以捕获固定边带。图12a和图12b的差异点仅在于发射激光和接收激光之间的瞬时频率差和接收机CV-QKD设备‘B’430处自适应选择的中频不同。发射机CV-QKD设备‘A’420的带宽和接收机CV-QKD设备‘B’430的带宽对于固定边带是相匹配的。发射机CV-QKD设备‘A’420另外发送大带宽信号，该信号落入接收机CV-QKD设备‘B’430的镜像频带，即另一边带内。这里对频率锁定的要求有所改变，例如，接收机CV-QKD设备‘B’430必须能够以降频转换中混合的方式捕获固定边带和较宽频带。
此外，当一个边带固定时，例如，在具有升频转换发射机和外差检测的系统中，发射机CV-QKD设备‘A’420使两个量子频带终止。其中一个量子频带在该接收机侧激光的一侧正好具有接收机CV-QKD设备‘B’430带宽，另一个量子频带比接收机侧激光另一侧的接收机带宽宽得多。接收机CV-QKD设备‘B’430以捕获固定边带(或其一部分)的方式确定中频。例如，图12a和图12b所示与图17c中的测量设置密切相关，但是该镜像频带也被宽范围中频信号所占据。
在本发明一些实施例中，可以采用一侧固定的多带结构，例如，图13所示的多个固定量子频带。
参阅图13，图13是多个量子频带的潜在带宽分配的另一示意图1300，结合了图11和图12中的分配。
例如，可以使用正交频分复用技术。例如，可以利用OFDM对一个或多个量子信道进行复用和解复用。一些子信道分配有量子信号，而一些子信道将留空以保护该量子信号。
此外，如下文所述，可以对相变进行估计，其中，使用了一侧固定的多带结构。量子频带的中频还可能是任意的，而同步信道的中频需要适应该传输信号。
此外，对于导频音，如同常在“local”本机振荡器CV-QKD实现中所做的，高功率导频音可以在频率上与量子信道进行复用，以估计与时间相关的相变，例如载波频率偏移和相位噪声。在多个导频音的情况下，还可以估计与频率有关的相变(例如，参见图14)。
通常具有高SNR的导频音通过维纳滤波器进行过滤，该维纳滤波器根据导频音频率周围的估计PSD进行连续调整。将过滤后的导频音与理想导频音在时域上进行比较，所发现的误差用作相位噪声和载波频率偏移估计。
参阅图14，图14是多个量子信道的潜在带宽分配的示意图1400，其中，多个量子信道相对于一个边频带是固定的。该量子信道与同步信道(sync)和导频音(pilot)复用。与时间和频率有关的相变的估计可以共同基于导频音和同步信道。接收机CV-QKD设备‘B’430处的中频需要适应传输信号，如上所述，对于量子信道，可能不适用该要求。可以进一步选择功率比、发射侧中频、不同频带之间的频率间隔以及带宽，以优化密钥速率。
在本发明一些实施例中，还可以将较高功率的各业务信道与承载同步信息的调制信号进行复用。例如，可以根据这种业务信道以及帧同步来估计与时间和频率有关的相变(参见图14)。
在一种可能的实现方式中，初始数据流在频域上与平方根升余弦形状相关，用于对载波频率偏移进行粗略估计。该值可用于在相位噪声估计完成之前进行粗略的降频转换和滤波。可以通过对时域上的已知训练序列与接收到的数据流进行比较来完成相位噪声估计。同步信道中的其他符号可以支持此功能，因为这些符号的调制格式是已知的。对于正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)，例如，可以获取每个符号的四次方，该功率将任一QPSK调制点旋转到第一象限。对1+i的相位差进行测量并将其用作相位噪声估计。
此外，同步信道中的数据一旦解码，该信息就可以用于通过比较输入信号与现有已知信息来更新相位噪声估计。由于脉冲形状也是已知的，因此这也允许对符号之间的样本进行相位噪声补偿。
此外，为实现最大性能，用于发射机CV-QKD设备‘A’420处进行数字模拟转换的时钟与接收机CV-QKD设备‘B’430处进行模拟数字转换的时钟需要在频率和相位上对齐。这两个时钟之间的时延或相位在频域上是相位坡道。此外，可以用传统的Godard算法来估计时延。在匹配滤波之后，可以使用升余弦来对key-ID信道进行整形，并且通过将检测到的同步信道的两个升余弦尾部进行混合，可以识别两个时钟之间的分数延时。
此外，由于该量子信道是用相同的时钟处理的，并且两个信道之间仅相隔几十兆赫，因此不受色散的影响，该量子信道中的时延与key-ID信道中的时延相同。
该同步信道可以与已知训练序列相关，以识别帧起始并得出所发送数据和接收数据之间的剩余相位偏移。例如，如果已知前一帧起始，则足以将训练序列与数据中预期下一训练序列的部分相关联，检查连续锁定并计算相位偏移。
此外，可以基于该量子信道的相变进行估计，例如，如果发射机CV-QKD设备‘A’420通过可靠信道披露出一些发送的符号或样本，则接收机CV-QKD设备‘B’430可以使用该信息来估计相变。披露的样本或符号越多，协议的效率就越低。虽然该量子信道功率较弱，但通过对多个符号或样本进行平均，可以提高估计的信噪比。然而，平均值限制了跟踪与时间相关的相变中的高频分量的能力。在无限平均的限制下，可能只能估计一个恒定的相位。为了提高信噪比，跟踪相变中的主频并保持协议的高效率，必须采取折中方案。只要发射侧的激光频率和接收侧的激光频率不匹配，估计精度就会很差。这可以通过一种迭代算法来解决，该算法尝试在频率和时间上匹配信号。
此外，时间交织训练序列可以通过，例如在发射机CV-QKD设备‘A’420和接收机CV-QKD设备‘B’430已知的量子符号之间添加专用的高功率训练符号来完成，可以进一步提高相变估计的精度。
此外，可以在量子通信信道410中进行有限的训练，例如，可以限制甚至放弃量子通信信道410中的训练序列，这将会提高通信效率。这就要求量子信道和同步信道之间的相位关系是经过校准并熟知的。例如，一种可能性是不时地在量子信道和同步通道中插入校准数据。这些校准可用于估计同步信道和量子信道之间的相位关系。
此外，可以对慢相位和频率漂移进行补偿，例如，比较来自多个连续帧的估计揭示慢相位和频率漂移。也可以对这些漂移进行传递、应用或补偿。
此外，对于信道分配，可以提供量子、同步和导频音信道频率分配、带宽和功率比的多个组合。应该根据物理信道的条件、信道间干扰与带宽效率的权衡以及对相位噪声校正和采样时钟恢复的估计精度要求，对分配进行优化。例如，与接收机CV-QKD设备‘B’430和发射机CV-QKD设备‘A’420之间的低损耗场景相比，在较高损耗的场景下，该同步信道和/或导频音功率以及它们与该量子信道之间的频率间隔可能会增加。
此外，对于正交频分复用，可以利用OFDM对量子信道和同步信道进行复用和解复用。可以为一些子信道分配量子信号，一些子信道分配同步信号，一些子信道将留空以保护该量子信号。
具体地，必须注意，即使在相位噪声补偿之后，各量子信道也不会受到剩余信道间干扰相位噪声的干扰。该噪声可能仍然很大，因为通常会为各同步信道分配明显更多的功率。因此，在OFDM设置中，必须用空子载波来保护载有量子信号的各子载波。
另外，可以发送部分反馈并进行部分补偿。例如，通常，好的策略是在接收机CV-QKD设备‘B’430处尽可能多地补偿与时间和频率有关的相变，以使得需要反馈给发射机CV-QKD设备‘A’420的信息量较低。相位噪声和时钟偏差是接收机CV-QKD设备‘B’430处的固定损伤的示例。恒定相位和载波频率偏移是可传递到发射机CV-QKD设备‘A’420并应用于发射机CV-QKD设备‘A’420处的损伤的示例，因为单正交测量之后该信息无法在接收机CV-QKD设备‘B’430处恢复。
此外，还可以补偿接收机侧相位噪声，例如，从各导频音和/或同步信道得到的相位噪声估计可以用于补偿该量子和同步信道中的相位噪声。完成此步骤后，每个信道的所有可恢复能量都应在明确定义的频率范围内(除非存在较大的采样时钟频率差)。
此外，还可以补偿接收机侧时钟偏差，例如，可以通过将频域表象与相位坡道相乘来补偿时延。用于补偿的时延是来自连续数据块的估计时延的低通滤波版本。可以使用同步信道中估计的时延来补偿量子信道中的分数延时。
在本发明一些实施例中，可以同步多个QKD设备。例如，两个或多个发射机CV-QKD将多个信号发送到单个接收机CV-QKD，该接收机CV-QKD将测量接收到的信号的叠加，如图15所示，图中还示出了潜在带宽分配。每个发射机CV-QKD设备发送的带宽都大于接收机CV-QKD设备，但是它们不必相同。
此外，需要分别测量每个信号的相变。同步信道(导频音)辅助的相变估计应基于在频率上分别与其他传输信号正交的同步信道(导频音)。
参阅图15，图15为两个发射机CV-QKD设备和单个接收机CV-QKD设备的潜在带宽分配的示意图1500。其中，发射激光和接收激光在相位和频率上并未对齐，并且每个发射侧带宽大于接收机带宽。由于频率锁定要求的变化，该接收机CV-QKD设备必须能够捕获每个发射带宽的某部分。所有三种激光之间的频率差是示例性的，可能会随时间变化。接收机CV-QKD设备430的中频可能是恒定的或随时间变化的。它可以是固定的或自适应的，也可以是随机选择的。接收机CV-QKD设备430的结构可能是图17a、17b、17c和17d中所示的任何结构。因此，如图所示，带宽分配不一定需要升频转换发射机和外差接收机。该实施例可以与本发明的其他实施例相结合，例如，与多个量子频带和/或同步信道和/或导频音结合。
参阅图16，图16是用于MDI-CVQKD的反向同步构思适配的示意图1600。
通过与测量设备无关的连续可变量子密钥分布给出了多设备同步的示例。两个发射机CV-QKD设备‘A’420和1620以相同的模式向单个接收机CV-QKD设备‘B’430发送相干态，接收机CV-QKD设备‘B’430对两个输入信号进行拍频并测量，例如，加法叠加的同相分量和减法叠加的正交分量。通常，测量将四个自由度(每个发射机两个自由度)分解为两个独立的测量结果。该测量结果由接收机CV-QKD设备‘B’430公布。每个发射机CV-QKD设备‘A’420可从其自身的发射信息和公开公告中分别得出有关其他发射机CV-QKD设备‘A’420和1620的传输信号的一些信息。在某些情况下，即使窃听者具有宇宙的全部力量并且控制了接收机CV-QKD430，其具有的有关两个发射机420和1620的发射状态信息的范围也小于发射机CV-QKD420和1620具有的有关对方的发射状态信息的范围。这将就能提取密钥，其最大优势是理论上可以使用任意错误的接收机。然而，接收机的质量对可能的密钥速率有很大的影响。
如图16所示，针对这种情况，对本发明的构思进行了进一步扩展，即发射机420和1620均发送并缓存大带宽信号。两个发射机420和1620自身的带宽无须在载波频率和相位上对齐，也无须同步采样时钟。在三方之间实现完全同步本来是非常困难的模拟任务，但这在不使用本发明的设备、系统和方法的情况下是必要的。这里唯一的要求可能是在接收机CV-QKD设备430的测量中，所发送的带宽可以部分重叠，并且接收机CV-QKD设备430可以捕获重叠的某部分。该有效量子信道可以通过接收机CV-QKD设备‘B’430的测量来确定。由于在接收机CV-QKD设备‘B’430处的测量破坏了光场中一半的自由度，因此并非所有的同步任务都可以在数字域中的接收机处完成。因此，有关该有效量子信道模式的信息及其与发送信号的关系传递到发射机CV-QKD设备‘A’420和1620。发射机CV-QKD设备‘A’420和1620随后可以从高带宽传输信号推断出有效发射状态。
图16中示出了针对MDI-CV-QKD的反向同步自适应。Alice方(发射机CV-QKD设备‘A’420)准备并记忆高带宽状态该高带宽状态将由与时间相关的信道/>变为/>Bob方(发射机CV-QKD设备‘A’1620)准备并记忆高带宽状态/>该高带宽状态将由与时间相关的信道/>变为/>在不失一般性的前提下，信道仅限于与频率无关的信道，相同的设置适用于频率选择性信道，Charlie方(接收机CV-QKD设备‘B’430)在分束器中对两个状态进行拍频，获得叠加状态和/>Charlie方(接收机CV-QKD设备‘B’430)现在对其中一个状态进行单正交测量，并对另一个状态进行正交单正交测量。这些测量在根余弦滤波器等一些信号处理之后进行，定义了正交分量、有效量子信道1601的中心频率和相位。
然后，将这些测量结果作为MDI-CVQKD协议中的典型内容进行公开。分别针对两个信道(1602A/1602B)的接收机(接收机CV-QKD设备‘B’430)对两个信道引入的相变进行估计。
估计出的相变和/>进行公开并分别传递给相应的发射机(1603A/1603B)。
各发射机将其对应的相变应用于其记忆的传输状态，并对接收机进行额外处理，以提取有效的传输状态(1604A/1604B)，然后将有效的传输状态用于后续的后处理步骤。
此外，第二个发送机CV-QKD设备可以是接收机CV-QKD设备的一部分。例如，可以将MDI-CVQKD的第二个射机声明为接收机结构的一部分，这就会使得点对点量子密钥分发系统对接收机结构的质量要求变得宽松。所提出的发明构思也可以应用于这种情况。
通常，可以使用多个量子信道的一侧的固定信道分配和单个同步信道(无导频音)。可以从业务信道以及业务信道与量子信道之间的罕见同步来估计所有的相变，只需要将载波频率偏移和恒定相位报告给发射机CV-QKD设备。
结合各种实施例、示例以及实现方式对本发明进行了描述。然而，根据对附图、本公开和独立权利要求的研究，通过实践所保护的发明，本领域技术人员可以理解和实现其他变体。在权利要求书和说明书中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个元件或其它单元可以实现权利要求书中列举的多个实体或项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (28)

1.一种用于操作连续变量量子密钥分发(Continuous Variable-Quantum KeyDistribution，CV-QKD)系统(400)的方法(100)，其中，所述系统(400)包括发射机CV-QKD设备‘A’(420)和接收机CV-QKD设备‘B’(430)；所述方法(100)包括：
所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)通过通信信道(410)存储(101)并发送(101)量子信号，其中，所述量子信号具有第一相位、第一中心频率、第一脉冲形状以及第一带宽；
所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)经由所述通信信道(410)以及所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的接收频带接收(102)所述量子信号，所述接收频带具有第二中心频率和第二带宽，其中，所述第二中心频率相对于所述第一中心频率偏移由所述通信信道(410)产生的频移，所述接收的量子信号具有第二相位和第二脉冲形状，其中，所述第二相位相对于所述第一相位偏移由所述通信信道(410)产生的相移，所述第二脉冲形状相对于所述第一脉冲形状偏移由所述通信信道(410)产生的时延；
所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)基于所述相移、所述频移、所述时延以及所述第一中心频率附近的所述第一带宽与所述第二中心频率附近的所述第二带宽之间的重叠产生的第三带宽来确定(103)量子通信信道；
所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)通过认证的通信信道将所述确定的量子通信信道传递给(104)所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)；
所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)通过基于所述确定的量子通信信道修改所述存储的量子信号来获取(105)修改后的量子信号；以及
所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)和所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)使用所述修改后的量子信号和所述接收的量子信号生成(106)密钥。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中
所述第一带宽大于所述第三带宽；
所述方法(100)还包括：为所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)分配相较于为所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)分配的带宽更大的带宽，其中，为所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)分配的所述带宽在为所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)分配的所述带宽内。
3.根据权利要求1或2所述的方法(100)，还包括：
基于高斯调制方案对所述量子信号进行调制，其中，每个量子信号都是从量子随机数发生器获得的，包括与CV-QKD系统(400)的光场的同相分量相关联的实部和与所述光场的正交分量相关联的虚部。
4.根据权利要求3所述的方法(100)，还包括：
所述接收机QKD设备‘B’(430)接收由所述发射机QKD设备‘A’(420)发送的所述量子信号的一部分。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法(100)，其中，包括以下至少一项：
所述相移与时间相关；
所述相移与频率相关；
所述频移与时间相关；
所述时延与时间相关；
所述时延与频率相关；
所述第三带宽与时间相关。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的方法(100)，还包括：
将所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)的量子信号升频转换为具有第一中频的单边带信号；和/或
将所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的量子信号从第二中频进行降频转换。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的方法(100)，还包括：
为所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的量子信号分配镜像频带，其中，所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)的量子信号的一部分在所述镜像频带内，所述方法(100)还包括：
所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)接收所述镜像频带内的所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)发送的所述量子信号的一部分。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的方法(100)，还包括：
为所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)分配多个量子频带，其中，每个量子频带与各自的第二中频相关联，且每个分配的量子频带具有镜像频带。
9.根据权利要求6或8所述的方法(100)，还包括：
所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)根据以下条件之一确定所述第二中频：
预定义的固定频率；
自适应方式的改变；
随机选择。
10.根据权利要求7或8所述的方法(100)，还包括：
所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)发送两个量子信号，每个量子信号具有不同的第一带宽，其中，所述两个量子信号包括：
与各自的第一带宽相关联的第一传输量子信号，所述第一带宽等于所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的给定已分配量子频带的第三带宽，其中，所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)的所述第一传输量子信号与所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的所述给定已分配量子频带相重叠；以及
与各自的第一带宽相关联的第二传输量子信号，所述第一带宽大于所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的所述给定已分配量子频带的所述镜像频带的所述第三带宽，所述第二传输量子信号在所述镜像频带内。
11.根据权利要求10所述的方法(100)，还包括：
所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)至少部分地接收所述第一传输量子信号和/或所述第二传输量子信号，使得所接收的信号在降频转换操作中进行混合。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的方法(100)，还包括：
将一个或多个导频音和/或同步信道与所述量子通信信道进行复用，以估计与时间和/或频率相关的相移，和/或与时间相关的频移，和/或与时间和/或频率相关的时延；以及
所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)基于所述估计的与时间和/或频率相关的相变确定所述量子通信信道。
13.根据权利要求1至11中的一项所述的方法(100)，还包括：
通过为所述量子信号分配第一组OFDM子信道并使用第二组OFDM子信道保护所述量子信号，利用正交频分复用技术(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)复用和/或解复用所述量子信号。
14.根据权利要求12所述的方法(100)，还包括：
通过分别为所述量子信号和所述同步信道分配第一组OFDM子信道和第二组OFDM子信道并使用第三组OFDM子信道保护所述量子信号，利用OFDM复用和/或解复用所述量子信号和所述同步信道。
15.根据权利要求12或14所述的方法(100)，还包括：
所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)对以下至少一项进行补偿：
基于估计来自所述一个或多个导频音和/或所述同步信道的相位噪声的所述相移，和/或
基于估计来自所述同步信道的时延的所述时延偏移。
16.根据权利要求1至15中的一项所述的方法(100)，其中，所述CV-QKD系统(400)为基于测量设备无关的(Measurement-Device-Independent，MDI)-CV-QKD系统，所述系统包括多个QKD设备(420，1620，430)，所述多个QKD设备包括两个或多个发射机CV-QKD设备(420，1620)和至少一个接收机CV-QKD设备(430)，其中，所述方法(100)还包括：
通过各自的通信信道(410，1610)为每个发射机CV-QKD设备(420，1620)存储并发送各自的量子信号，其中，各个量子信号具有各自的第一相位、各自的第一中心频率、各自的第一脉冲形状以及各自的第一带宽；
所述接收机CV-QKD设备(430)经由所述通信信道(410，1610)以及所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的接收频带接收包括所述多个发送的量子信号的组合信号，所述接收频带具有第二中心频率和各自的第二带宽，其中，所述第二中心频率相对于所述第一中心频率偏移由所述通信信道(410，1610)产生的频移，所述接收的组合信号具有第二相位和第二脉冲形状，其中，所述第二相位相对于所述第一相位偏移由所述通信信道(410，1610)产生的相移，所述第二脉冲形状相对于所述第一脉冲形状偏移由所述通信信道(410，1610)产生的时延；
基于所述相移、所述频移、所述时延以及所述第一中心频率附近的所述第一带宽与所述第二中心频率附近的所述第二带宽之间的重叠产生的第三带宽来确定所述量子通信信道；
通过认证的通信信道传递所述确定的量子通信信道；
通过基于各自确定的量子通信信道修改相应的存储的量子信号，为每个发射机CV-QKD设备(420，1620)单独获取各自修改后的量子信号；以及
使用各自修改后的量子信号和所述接收的组合量子信号产生密钥。
17.一种用于发射机连续变量量子密钥分发(Continuous Variable-Quantum KeyDistribution，CV-QKD)设备‘A’(420)的方法(200)，其中，所述方法包括：
通过通信信道(410)向接收机CV-QKD设备‘B’(430)发送(201)并存储(201)量子信号，其中，所述量子信号具有第一相位、第一中心频率、第一脉冲形状以及第一带宽；
通过认证的通信信道从所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)接收(202)确定的量子通信信道、相移、频移、时延以及第三带宽；
通过基于所述相移、所述频移、所述时延和所述第三带宽对所述存储的量子信号进行修改来获取(203)修改后的量子信号；以及
使用所述修改后的量子信号生成(204)密钥。
18.根据权利要求17所述的方法(200)，还包括：
将量子信号升频转换为具有第一中频的单边带信号。
19.根据权利要求17或18所述的方法(200)，还包括：
发送两个量子信号，每个量子信号具有不同的第一带宽，其中，所述两个量子信号包括：
与各自的第一带宽相关联的第一传输量子信号，所述第一带宽等于所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的给定已分配量子频带的第三带宽，其中，发射机CV-QKD设备‘A’(420)的所述第一传输量子信号与所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的所述给定已分配量子频带相重叠；以及
与各自的第一带宽相关联的第二传输量子信号，所述第一带宽大于所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的所述给定已分配量子频带的镜像频带的所述第三带宽，所述第二传输量子信号在所述镜像频带内。
20.一种连续变量量子密钥分发(Continuous Variable-Quantum Key Distribution，CV-QKD)设备‘A’(420)，用于执行权利要求17至19中任一项所述的方法(200)的步骤。
21.一种用于接收机连续变量量子密钥分发(Continuous Variable-Quantum KeyDistribution，CV-QKD)设备‘B’(430)的方法(300)，其中，所述方法包括：
通过通信信道(410)从发射机CV-QKD设备‘A’(420)接收(301)发送的量子信号，所述发送的量子信号具有第一相位、第一中心频率、第一脉冲形状以及第一带宽，所述量子信号经由所述通信信道(410)以及所述接收机CV-QKD设备‘B’(430)的接收频带，所述接收频带具有第二中心频率和第二带宽，其中，所述第二中心频率相对于所述第一中心频率偏移由所述通信信道(410)产生的频移，所述接收的量子信号具有第二相位和第二脉冲形状，其中，所述第二相位相对于所述第一相位偏移由所述量子通信信道(410)产生的相移，所述第二脉冲形状相对于所述第一脉冲形状偏移由所述通信信道(410)产生的时延；
基于所述接收的量子信号、所述相移、所述频移、所述时延以及所述第一中心频率附近的所述第一带宽与所述第二中心频率附近的所述第二带宽之间的重叠产生的第三带宽来确定(302)量子通信信道；
通过认证的通信信道向所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)发送(303)所述确定的量子通信信道、所述相移、所述频移、所述时延以及所述第三带宽；以及
使用所述接收的量子信号生成(304)密钥。
22.根据权利要求21所述的方法(300)，还包括：
接收由所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)发送的所述量子信号的一部分。
23.根据权利要求21或22所述的方法(300)，还包括：
从第二中频降频转换量子信号。
24.根据权利要求21至23中的一项所述的方法(300)，还包括：
为给定的量子信号分配镜像频带，其中，所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)的量子信号的一部分在所述镜像频带内，所述方法还包括：
接收所述镜像频带内的所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)发送的所述量子信号的一部分。
25.根据权利要求21至24中的一项所述的方法(300)，还包括：
分配多个量子频带，每个量子频带与各自的第二中频相关联，其中，每个分配的量子频带具有镜像频带。
26.根据权利要求21至25中的一项所述的方法(300)，还包括：
从所述发射机CV-QKD设备‘A’(420)至少部分地接收其发送的两个具有不同第一带宽的量子信号，使得所接收的信号在降频转换操作中进行混合。
27.根据权利要求21至26中的一项所述的方法(300)，还包括：
对以下至少一项进行补偿：
基于估计来自所述一个或多个导频音和/或同步信道的相位噪声的所述相移，和/或
基于估计来自所述同步信道的时延的所述时延偏移。
28.一种连续变量量子密钥分发(Continuous Variable-Quantum Key Distribution，CV-QKD)设备‘B’(430)，用于执行权利要求21至27中任一项所述的方法(300)的步骤。
CN201980081025.XA 2019-10-24 2019-10-24 连续变量量子密钥分发（cv-qkd）系统中的后接收同步 Active CN113169869B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2019/079062 WO2021078387A1 (en) 2019-10-24 2019-10-24 Post-reception synchronization in a continuous variable quantum key distribution (cv-qkd) system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113169869A CN113169869A (zh) 2021-07-23
CN113169869B true CN113169869B (zh) 2024-04-12

Family

ID=68344860

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980081025.XA Active CN113169869B (zh) 2019-10-24 2019-10-24 连续变量量子密钥分发（cv-qkd）系统中的后接收同步

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11777723B2 (zh)
EP (1) EP3884610A1 (zh)
CN (1) CN113169869B (zh)
WO (1) WO2021078387A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114448500A (zh) * 2020-11-03 2022-05-06 富士通株式会社 相频响应测量方法和装置
CN114095164B (zh) * 2021-11-22 2022-09-09 西南大学 一种基于量子纠缠数态压缩的量子密钥分发方法
CN114650206B (zh) * 2022-04-08 2023-05-05 中国电子科技集团公司第三十研究所 量子密钥分发系统相位噪声补偿方法、装置、设备及介质
CN116702911A (zh) * 2023-03-13 2023-09-05 合肥本源量子计算科技有限责任公司 信号发生装置、量子控制系统及量子计算机

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018162042A1 (en) * 2017-03-07 2018-09-13 Huawei Technologies Co., Ltd. Self-referenced continous-variable quantum key distribution devices, methods and systems
WO2018212461A1 (ko) * 2017-05-19 2018-11-22 한국과학기술원 연속 변수 양자 암호 키분배 위상 보정 시스템
CN109586911A (zh) * 2019-02-01 2019-04-05 上海循态信息科技有限公司 基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6289104B1 (en) * 1998-08-07 2001-09-11 Ilinois Institute Of Technology Free-space quantum cryptography system
FR2879381B1 (fr) * 2004-12-15 2008-12-26 Thales Sa Systeme de distribution quantique de cle de cryptage a variables continues
EP3094038B1 (en) * 2015-05-12 2019-08-07 ID Quantique S.A. Apparatus and method for providing eavesdropping detection of an optical fiber communication
US9906311B1 (en) * 2016-03-23 2018-02-27 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Transceivers and receivers for quantum key distribution and methods pertaining thereto
EP3337063B1 (en) * 2016-12-13 2023-08-23 Id Quantique Sa Apparatus and method for quantum enhanced physical layer security
WO2018177560A1 (en) * 2017-03-31 2018-10-04 Huawei Technologies Co., Ltd. Gaussian continuous variable quantum key distribution system and method
KR102031966B1 (ko) * 2017-04-27 2019-10-15 한국과학기술원 수신기에서 광자 추출에 기반한 양자 암호 키 분배 방법 및 장치
PL424146A1 (pl) * 2017-12-30 2019-07-01 Compsecur Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością Kryptosystem, szyfr z kluczem jednoqubitowym, dla splątaniowego szyfrowania informacji kwantowej
EP3777012B1 (en) * 2018-03-28 2023-08-09 The Research Foundation for The State University of New York Devices, systems, and methods facilitating ambient-temperature quantum information buffering, storage, and communication
US11418330B2 (en) * 2019-10-21 2022-08-16 Eagle Technology, Llc Quantum communication system that switches between quantum key distribution (QKD) protocols and associated methods

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018162042A1 (en) * 2017-03-07 2018-09-13 Huawei Technologies Co., Ltd. Self-referenced continous-variable quantum key distribution devices, methods and systems
WO2018212461A1 (ko) * 2017-05-19 2018-11-22 한국과학기술원 연속 변수 양자 암호 키분배 위상 보정 시스템
CN109586911A (zh) * 2019-02-01 2019-04-05 上海循态信息科技有限公司 基于相干光通信系统的连续变量量子密钥分发方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Self-Referenced Continuous-Variable Quantum Key Distribution Protocol;Daniel B. S. Soh et al.;PHYSICAL REVIEW X;第5卷(第4期);第2节 *

Also Published As

Publication number Publication date
US11777723B2 (en) 2023-10-03
EP3884610A1 (en) 2021-09-29
WO2021078387A1 (en) 2021-04-29
US20210336777A1 (en) 2021-10-28
CN113169869A (zh) 2021-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113169869B (zh) 连续变量量子密钥分发（cv-qkd）系统中的后接收同步
KR101833956B1 (ko) 연속 변수 양자 암호 키분배 위상 보정 시스템
Soh et al. Self-referenced continuous-variable quantum key distribution protocol
JP6602410B2 (ja) 光量子通信システム
CN107135065B (zh) 一种量子密钥分配方法及发送装置、接收装置
Nakazawa et al. QAM quantum noise stream cipher transmission over 100 km with continuous variable quantum key distribution
US10749608B2 (en) Signal receiving apparatus and method
CN109842449B (zh) 生成密钥的设备和方法
KR20190005868A (ko) 연속 변수 퀀텀 암호화를 위한 위상 참조 공유 방식들
CN113302875A (zh) 量子密钥分发中校准可信噪声
Brunner et al. A low-complexity heterodyne CV-QKD architecture
Zhou et al. Efficient joint carrier frequency offset and phase noise compensation scheme for high-speed coherent optical OFDM systems
Kleis et al. Improving the secret key rate of coherent quantum key distribution with Bayesian inference
CN114337847A (zh) 连续变量测量设备无关量子密钥分发系统及相位补偿方法
Chin et al. Digital synchronization for continuous-variable quantum key distribution
Schrenk et al. High-rate continuous-variables quantum key distribution with piloted-disciplined local oscillator
EP3580886B1 (en) Self-referenced continous-variable quantum key distribution devices, methods and systems
CN113545001B (zh) 量子密钥分发中的同步
Rueckmann et al. 1 GBaud continuous variable quantum key distribution using pilot tone assisted heterodyne detection
Jain et al. qTReX: A semi-autonomous continuous-variable quantum key distribution system
Alaghbari et al. Adaptive modulation for continuous-variable quantum key distribution with real local oscillators under phase attack
Pereira et al. Polarization diverse true heterodyne receiver architecture for continuous variable quantum key distribution
Laudenbach et al. Pilot-disciplined CV-QKD with true local oscillator
Kleis et al. Improving the performance of coherent quantum communications with bayesian inference
CN113632414A (zh) 量子密钥分发中的光注入锁定

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant