CN113259104B - 一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统 - Google Patents

一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统，属于量子密钥分发技术领域。在本方案中，发送端将需要发送的信号光脉冲相对原始相位随机旋转四个不同角度以制备四种信号态，接收端将本振光脉冲相对原始相位随机旋转0或
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE001
的角度，以实现对信号光脉冲的相互正交的测量基矢q或p的测量。通过本方案，在接收端使用零差测量方法的情况下，发送端根据接收端公布的测量基矢选择信息提取密钥，从而限制了密钥分发过程中的信息泄露，极大地提升了密钥传输的抗噪能力，提升了成码率和传输距离。

Description

一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统
技术领域
本发明涉及量子密钥分发技术领域，尤其涉及一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统。
背景技术
量子密钥分发区别于传统的通信技术，通过其量子力学特性保证了在不安全信道下通信的无条件安全，在理论和实验上都已获得了广泛的研究。
量子密钥分发技术可分为离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发两大类。相较于离散变量量子密钥分发的单光子探测，连续变量量子密钥分发采用相干探测，将信息编码在电磁场的一对正交算符上，其量子态的制备和测量通过现有光通信领域的常用器件即可实现，且对于近距离的密钥传输具有更高的成码率。
高斯调制相干态的连续变量量子密钥分发协议是目前广泛应用的方案，然而该协议中制备高斯随机数编码量子态所需的操作具有较高的复杂度，同时对于远距离传输的情况，信道衰减所导致的信噪比下降将为数据的反向协调矫正带来困难，使得密钥传输效率降低，远距离传输将受到限制。为克服高斯调制的相关缺陷，离散调制的连续变量量子密钥分发协议被提出，论文“Asymptotic Security Analysis of Discrete-ModulatedContinuous-Variable Quantum Key Distribution”（PhysRevX.9.041064）中提供了两种连续变量量子密钥分发协议。该协议给出的四态调制通过相位调制器将信号光脉冲较原始相位随机旋转0、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
角度以制备
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
四种信号态，在密钥生成的过程中两种协议分别采用零差测量和外差测量。在理想设备条件下，使用外差测量的协议具有很高的抗噪性，而零差测量的协议则抗噪性差，传输距离很短，不能够满足密钥分发的实际需求。然而，从实验效果上讲，外差测量设备更复杂，对实验条件要求更高，但是探测效率低于零差测量设备，使得本身具有很高的抗噪性的外差测量协议在实验表现上很糟糕，以至于同样不能够满足实际的密钥分发需求。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术中所存在的不足，本发明提出一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法和系统，能够解决理想设备条件下，基于零差测量的协议抗噪性差的问题，使得其获得与外差测量协议相当的高抗噪性。本协议将所发送信号态脉冲相对原始相位随机旋转
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
角度，以制备
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
四种信号态，将本振光脉冲相对原始相位随机旋转0或
Figure 325222DEST_PATH_IMAGE001
的角度，以进行正交的q测量基矢或p测量基矢测量。同时，协议过程中发送端无需公布发送态的相位信息，从而约束了信息泄露，能够有效利用零差测量设备简单而且探测效率高的优势进行测量，提高了密钥传输抗噪性，提升了成码率和传输距离，能够实现满足实际需求的远距离高成码率量子密钥分发。
技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案如下。
一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法，包括以下步骤：
制备并发送信号光脉冲：对于每一个信号光脉冲，发送端将信号光脉冲等概率制备成四种信号态之一，并发送给接收端，所述四种信号态仅相位信息不同，分别相对原始相位旋转
Figure 773521DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 349996DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 400997DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 277687DEST_PATH_IMAGE008
角度；
测量信号光脉冲：接收端等概率选择p基矢或者q基矢，并在对应基矢下对所接收的信号光脉冲进行零差测量；
码率估计：重复进行上述两个步骤多轮次直至完成数据积累；随后，接收端向发送端公布每次所选择的测量基矢，发送端和接收端根据测量基矢的选择将所有轮次分为两组；对于每一组，发送端和接收端分别随机公布部分轮次的相位数据和测量结果数据，所述数据用于安全码率的估计并在公布后被舍弃不用于生成密钥；所得估计结果显示成码率大于零或达到预设要求，则继续协议，否则放弃本次分发重新进行协议；
原始密钥生成：接收端根据信号态在对应基矢下的零差测量结果生成对应的比特值，所述比特值作为密钥；接收端向发送端公布不用于成码的轮次；发送端根据所发送的信号态、接收端公布的基矢选择信息和后选择信息生成密钥；
提取安全密钥：发送端和接收端进行纠错和隐私放大并生成最终的安全密钥。
需要说明的是，码率估计和原始密钥生成这两个步骤可以交换，在完成数据积累以后，先生成原始密钥，再进行安全码率的估计。
进一步的，对于测量信号光脉冲，接收端通过对本振光脉冲随机相位旋转0或
Figure 631307DEST_PATH_IMAGE001
并发送来完成测量基矢的等概率选择。
进一步的，对于安全码率的估计包括：以接收端的密钥为基准对发送端和接收端双方密钥比特错误率的估计，和对窃听者可获取的关于接收端密钥的信息量的估计。
进一步的，接收端生成对应比特值的方法如下：当测量所得结果大于
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
时记为比特0，当所得结果小于
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
时记为比特1，其他介于
Figure 147608DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure 267880DEST_PATH_IMAGE010
之间的结果不用于成码，
Figure 467917DEST_PATH_IMAGE010
为一个非负的后选择参数。
进一步的，发送端生成对应比特值的方法如下：
对于随机发送的四种态
Figure 258019DEST_PATH_IMAGE009
，式中
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为光强，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为虚数单位，其分别对应取值{00、10、11、01}，发送端在发送态对应的取值中选择前一个比特或后一个比特作为原始密钥；其中对于所发送每一种信号态，当接收端选择在q基矢下测量，则发送端选择每组取值中的前一位比特值，当接收端选择在p基矢下测量，则发送端选择每组取值中的后一位比特值；若接收端公布的信号态在后选择中不被用于成码，则发送端将所述信号态生成的密钥比特删除。
一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发系统，用于实现上述任意一种方法，包括发送端、接收端和连接两端的信道；发送端和接收端均包括后处理模块，用于实现对本端各模块的控制以及执行数据后处理；其中，发送端还包括制备模块，用于产生信号光脉冲并将所述信号光脉冲等概率制备成四种信号态中的一种，发送给接收端；接收端还包括基矢选择模块和零差测量模块，基矢选择模块用于对本振光脉冲进行相位调制来选择测量基矢，零差测量模块用于在对应基矢下进行零差测量；发送端或接收端还包括本振光发送模块，本振光发送模块用于发送本振光脉冲。
进一步的，发送端包括第一脉冲激光器和正交相移键控单元，第一脉冲激光器用于产生原始信号光脉冲，正交相移键控单元将所接收的信号光脉冲相对原始相位以等概率旋转
Figure 182987DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 716737DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 36859DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 529021DEST_PATH_IMAGE008
中的一个角度，以制备四种信号态中的一个信号态，经相位调制后的信号光脉冲经过单模光纤被发送至接收端；
接收端包括电子偏振控制器，第二脉冲激光器，相位调制器，分束器，第一探测器，第二探测器和差分放大器；电子偏振控制器用于对所接收信号光脉冲进行偏振漂移的补偿；第二脉冲激光器用于产生光强与相位稳定的强经典光脉冲作为本振光脉冲；相位调制器用于将所接收本振光脉冲的相位进行随机0或
Figure 172578DEST_PATH_IMAGE001
的旋转，以实现对应q测量基矢或者p测量基矢的选择；分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器构成零差测量模块，分束器用于将所接收的信号光脉冲和本振光脉冲进行干涉，第一探测器和第二探测器用于对干涉结果进行测量，所述测量在差分放大器处得到一个电压值，所述电压值指示所选择基矢下的测量结果。
进一步的，发送端包括脉冲激光器，第一分束器，正交相移键控单元和第一保偏偏振分束器；脉冲激光器用于产生脉冲激光；第一分束器用于将所接收的脉冲激光分为两束，其中较强的一束作为本振光脉冲，较弱的另一束作为信号光脉冲；正交相移键控单元用于将所接收的信号光脉冲相对原始相位以等概率旋转
Figure 244439DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 684648DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 941186DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 466845DEST_PATH_IMAGE008
中的一个角度，以制备四种信号态中的一个信号态；第一保偏偏振分束器用于将所接收的信号光脉冲和本振光脉冲进行合束并通过单模光纤发送至接收端；
接收端包括电子偏振控制器，第二保偏偏振分束器，相位调制器，第二分束器，第一探测器，第二探测器和差分放大器；电子偏振控制器用于对所接收信号光脉冲和本振光脉冲进行偏振漂移的补偿；第二保偏偏振分束器用于对所接收的信号光脉冲和本振光脉冲进行分束，将信号光脉冲传送至第二分束器，并将本振光脉冲传送至相位调制器；相位调制器用于将所接收本振光脉冲的相位进行随机0或
Figure 342397DEST_PATH_IMAGE001
的旋转，以实现对应q测量基矢或者p测量基矢的选择；第二分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器构成零差测量装置，第二分束器用于将所接收的信号光脉冲和本振光脉冲进行干涉，第一探测器和第二探测器用于对干涉结果进行测量，所述测量在差分放大器处得到一个电压值，所述电压值指示所选择基矢下的测量结果。
相比于现有方案，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明对所制备信号态进行优化，由现有方案中的
Figure 230587DEST_PATH_IMAGE004
（相对原始相位随机旋转0、
Figure 798972DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 546348DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 350225DEST_PATH_IMAGE003
角度）四种信号态优化为
Figure 499447DEST_PATH_IMAGE009
（相对原始相位随机旋转
Figure 973153DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 66880DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 18656DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 553542DEST_PATH_IMAGE008
角度）四种信号态，该相位角度的优化使得发送端所发送的每个信号态可同时携带两比特信息，较现有零差协议携带的信息更多，从而使得传输的信息量增加。
（2）本发明对信号态相位进行的优化和密钥提取规则的改进，使得对制备的
Figure 588363DEST_PATH_IMAGE009
四种信号态进行零差测量后，密钥的生成过程不再要求发送端公布量子态的相位信息，减少了密钥分发过程中的信息泄露，使得攻击者能够获得更少的信息，为分发密钥的双方保留了更多的安全信息量。
（3）传输信息量的增加与安全信息量的占比增加，使得本发明提出的协议具有很高的抗噪性，提高了密钥传输的距离，在远距离传输量子密钥的情况下仍可获得较高的成码率。
（4）由于本发明采用的信号态相位选择恰好与现有技术中的正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying）技术能够制备的相位相同，因此本发明在实现时可以直接利用成熟的正交相移键控技术，能够简化制备并提升制备效率；由于可以使用零差测量，我们的协议在拥有很高的抗噪性同时，测量设备简单稳定性好且探测效率高，更加实用而不会造成如同外差协议一样理论效果好但实验效果糟糕的情况。整体来看系统相较于现有的协议们都更加高效且简单。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的流程图；
图2为本发明具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明实施例一的结构示意图；
图4为本发明实施例二的结构示意图；
图5为本发明的仿真结果图。
具体实施方式
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。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。
如图1所示，本发明提出了一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法。该方法包括以下步骤：
S100、制备与发送信号光脉冲：发送端将所发送的弱相干信号光脉冲等概率地制备为
Figure 779173DEST_PATH_IMAGE009
中的一种信号态并发送给接收端，该四种信号态仅相位信息不同，分别相对原始相位旋转
Figure 659273DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 251929DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 926492DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 994811DEST_PATH_IMAGE008
角度。
Figure 288389DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 125764DEST_PATH_IMAGE013
为光强。
S200、测量信号光脉冲：接收端等概率的选择p基矢或者q基矢，并在对应基矢下对所接收的信号光脉冲进行零差测量。
S300、码率估计：以上操作将重复进行多轮，直至完成数据积累。随后，接收端将向发送端公布它每次所选择的测量基矢。根据接收端对两种测量基矢q和p的选择，双方将所有轮次分为两组，对于每一组，发送端和接收端将随机公布其中的少部分轮次的所有信息，包括发送的信号态以及测量结果，进行安全码率的估计，并由所得估计结果显示成码率大于零（或达到预设的码率要求），则继续协议，所公布的数据将被舍弃不用于成码。否则放弃本次分发重新开始协议。
S400、原始密钥生成：对于没有被公布的轮次，接收端将根据对信号态在对应基矢下的零差测量结果生成对应的比特值作为密钥，具体规则为：当测量所得的值大于
Figure 451790DEST_PATH_IMAGE010
时记为比特0，当所得结果小于
Figure 210667DEST_PATH_IMAGE011
时记为比特1，其他结果介于
Figure 432570DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure 999818DEST_PATH_IMAGE010
的轮次不用于成码。这里，
Figure 750605DEST_PATH_IMAGE010
为一个非负的参数。当
Figure DEST_PATH_IMAGE015
时，意味着所有未公布轮次均用于生成密钥，后选择不丢弃任何轮次，相当于没有进行后选择的情况；当
Figure DEST_PATH_IMAGE016
时，有一些轮次不被用于生成密钥，即对测量结果进行了后选择。后选择能够减少转换成密钥后错误率较高的轮次参与密钥生成。该参数的具体数值可通过优化安全码率得出。以及，接收端向发送端公布不用于成码的轮次。
发送端将根据所发送的信号态和接收端公布的基矢选择信息与后选择信息生成密钥，具体规则为：对于随机发送的四种态
Figure 449308DEST_PATH_IMAGE009
，发送端首先将其分别对应四组取值{00、10、11、01}。其中对于所发送每一种信号态，当接收端选择在q基矢下测量，则发送端选择对应组中的前一位比特值，当接收端选择在p基矢下测量，则发送端选择每组取值中的后一位比特值。例如：对于信号态
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，其对应10，当接收端在q基矢下测量，则记密钥比特为1，当接收端在p基矢下测量，则记密钥比特为0。若接收端公布某一次发送的信号态在后选择中不被用于成码，那么发送端将对应信号态生成的密钥比特删除。
S500、提取安全密钥：最后，发送端和接收端将进行经典纠错和隐私放大并生成最终的安全密钥。
具体来说，步骤S200中，对于测量基矢q或测量基矢p的选择，接收端将通过随机为本振光脉冲做一个相位旋转0或
Figure 333956DEST_PATH_IMAGE001
来完成。旋转后的本振光脉冲将与所接收的信号光脉冲干涉以进行零差测量。所进行的零差测量将得到对应基矢下信号态的测量结果。
具体来说，步骤S300中，对于安全码率的估计主要分为两部分：以接收端的密钥为基准对发送端和接收端双方密钥比特错误率的估计，和对窃听者可获取的关于接收端密钥的信息量的估计。
对于比特错误率的估计，可通过将发送端与接收端随机公布的轮次，按照S400所述的密钥生成方法获得两串比特，然后统计两串比特之间不同的比特数，从而得到比特错误率，根据统计学基本原理来估计具有相同比特错误概率分布的剩余未公布的轮次将生成的原始密钥串的比特错误率；或者交换步骤S400和步骤S300，在完成多轮S100和S200从而积累数据以后，先生成原始密钥，再根据所选基矢将所有轮次，包括生成密钥时不用于成码的轮次，分成两类，分别随机公布部分轮次的所有信息，包括发送相位信息、测量结果信息以及对应的密钥信息，用于安全码率的估计。公布的轮次若参与了原始密钥的生成，则将对应的密钥删除，即公布的轮次不能够参与原始密钥生成。通过所公布的少部分原始密钥进行上述相同的统计比对并利用统计学基本原理来估算得到。
对于窃听者获得信息量的估计，可以采用现有的估计方法，对于不同的基矢选择分别根据其公布的信息进行计算得到，相关计算和估计方法参见本专利背景技术中提到的对比文献“Asymptotic Security Analysis of Discrete-Modulated Continuous-Variable Quantum Key Distribution”（PhysRevX.9.041064）。不同基矢在估计窃取的信息量时，对于其构造的分发双方系统形成的密度矩阵保持一致，满足的约束保持一致，该约束与不同量子态与不同测量基矢组合的统计结果有关。这是因为本发明不是两个独立的不同基矢的协议。
本发明还提出一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发系统，以实现上述方法。该系统的整体功能架构如图2所示，包括发送端、接收端和连接两端的量子信道、经典信道，发送端从功能上来说包括制备模块和一个后处理模块；接收端从功能上来说主要分为基矢选择模块和零差测量模块和一个后处理模块。此外，一个本振光发送模块，该模块既可以由发送端拥有也可以由接收端拥有。在图2中，我们将其包含在接收端中。发送端和接收端通过量子信道和认证的经典信道连接。量子信道用于传输制备模块发送的光给接收端；经典信道用于测量后双方按照协议公布相关经典信息。不失一般性地，量子信道可以是光纤，且在下述实施例中，我们设定量子信道为光纤。
制备模块用于制备信号光并调制其相位，若本振光由发送端发送，则制备模块可能同时制备本振光，即本振光发送模块与制备模块可以合并。本振光发送模块用于发送本振光脉冲，根据其在发送端还是接收端，通过不同的方法来保证其相位与信号光原始相位相同。基矢选择模块用于接收端通过调制本振光相位的方法进行测量基矢选择。零差测量模块用于在对应基矢下进行零差测量。发送端和接收端内均设置有通用的后处理模块，并能够进行被完全窃听但不可篡改的经典通信，用于实现对本端各模块的控制以及执行数据后处理，包括公布信息、计算成码率、纠错、隐私放大以及提取密钥等。
下面结合2个实施例对上述系统进行进一步阐述。
实施例一：
本实施例提出的一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发系统，如图3所示，包括发送端和接收端。本振光发送模块位于接收端。
发送端的制备模块包括第一脉冲激光器和一个相位调制器，优选地，相位调制器可以是专门实施正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying）的设备，信号光由第一脉冲激光器发出后进入正交相移键控进行相位调制，之后经过单模光纤被发送至接收端。
其中，第一脉冲激光器用于产生光强与相位稳定的相干光脉冲；正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying）用于将每一个弱相干光脉冲相对原始相位以等概率旋转
Figure 349186DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 677399DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 942027DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 240153DEST_PATH_IMAGE008
中的一个角度，以制备对应于
Figure 781993DEST_PATH_IMAGE009
中的一个信号态。
接收端包括电子偏振控制器，第二脉冲激光器，相位调制器，分束器，第一探测器，第二探测器和差分放大器。优选地，在发送端发送的脉冲信号光进入零差测量模块的分束器之前，先通过接收端的电子偏振控制器。同时接收端的本振光发送模块里的第二脉冲激光器所发送的脉冲本振光经过基矢选择模块里的相位调制器的相位调制后也传入分束器。分束器以及其后接的第一探测器、第二探测器和差分放大器构成零差测量模块。
其中，电子偏振控制器用于对所接收信号光脉冲进行偏振漂移的补偿；第二脉冲激光器用于产生光强与相位稳定的强经典光脉冲作为本振光脉冲；相位调制器用于将所接收本振光脉冲的相位进行随机0或
Figure 874583DEST_PATH_IMAGE001
的旋转，以实现对应q测量基矢或者p测量基矢的选择；分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器构成一个零差测量装置，其中分束器用于将所接收的信号光脉冲和本振光脉冲进行干涉，第一探测器和第二探测器对干涉结果进行测量，该测量将在差分放大器处得到一个电压值，该电压值指示所选择基矢下的测量结果。
由于本振光发送模块位于接收端，为了保证本振光和信号光的原始相位一致，需要发送参考光。上述量子密钥分发协议在本系统的实施步骤如下：
步骤一：发送端以等概率制备四种弱相干脉冲信号光
Figure 626507DEST_PATH_IMAGE009
并通过一条不安全的单模光纤将其发送给接收端。接收端发送本振光脉冲，并通过将本振光脉冲的相位等概率旋转0或
Figure 728324DEST_PATH_IMAGE001
角度的方式进行q测量基矢或p测量基矢的选择。其中发送端和接收端可以通过在信号光序列中随机插入参考光的方式调整信号光与本振光间的相对相位关系至其初始相位一致，并通过后处理过程对两者间的相位抖动和相位漂移进行补偿。参考光所在的轮次将在发送测量完成后公布。
步骤二：信号光脉冲经过偏振补偿后与本振光脉冲一同在分束器处干涉，进行零差测量。接收端将记录每次所选择的测量基矢和相应基矢下的零差测量结果。
步骤三：接收端将向发送端公布每次测量所选择的基矢q或p，随后，接收端将向发送端公布它每次所选择的测量基矢。双方根据协议估计成码率。成码率大于零或达到预设的码率要求，则继续协议，所公布的数据将被舍弃不用于成码。否则放弃本次分发重新开始。
步骤四：接收端根据零差测量所得的测量值进行取值，无关所选择的基矢，当测量所得的值大于
Figure 464285DEST_PATH_IMAGE010
时记为比特0，当所得结果小于
Figure 993356DEST_PATH_IMAGE011
时记为比特1，其他结果介于
Figure 842363DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure 747871DEST_PATH_IMAGE010
之间，不用于成码。接收端向发送端公布不用于成码的轮次。发送端对应于所发送的四种信号态
Figure 123357DEST_PATH_IMAGE009
分别记录为四种取值{00、10、11、01}，若接收端公布其选择在q基矢下测量该信号态，则发送端选择对应信号态的取值中的前一位比特值，当接收端选择在p基矢下测量，则发送端选择对应信号态取值中的后一位比特值。最终双方生成安全密钥。
步骤五：
对原始密钥进行经典纠错，错误验证和隐私放大，提取最终密钥。
实施例二：
如图4所示，实施例二相较于实施例一的变化在于本振光发送模块在发送端，且本振光发送模块与制备模块合并存在。对应的，接收端存在一些额外的设备用于分别处理来自发送端的本振光与信号光。实施例的发送端包含脉冲激光器，用于实现正交相移键控的相位调制器，第一分束器和第一保偏偏振分束器；接收端包括电子偏振控制器，第二保偏偏振分束器，相位调制器，第二分束器，第一探测器，第二探测器和差分放大器。
发送端的脉冲激光器发送脉冲激光。脉冲光经过第一分束器后分束成一大一小两束激光，其中较弱的一束脉冲光作为信号光，经过正交相移键控后进入第一保偏偏振分束器的一个输入端口；另一束较强的脉冲光作为本振光进入第一保偏偏振分束器的另一个输入端口。信号光脉冲与本振光脉冲通过保偏偏振分束器后被合束，经单模光纤传输至接收端。信号光脉冲和本振光脉冲被接收端接收后经过电子偏振控制器，经第二保偏偏振分束器分束后，信号光脉冲传入第二分束器的一个入口，本振光通过相位调制器后进入第二分束器的另一入口，并于第二分束器处干涉。
其中，脉冲激光器用于产生强度、相位稳定的脉冲激光；第一分束器将所接收的脉冲激光分为两束，其中光强较强的一束作为本振光脉冲，光强较弱的一束作为弱信号光脉冲，这种方法能够使得本振光与信号光的原始相位保持一致；能够实施正交相移键控的相位调制器用于将每一个弱相干光脉冲相对原始相位以等概率旋转
Figure 698695DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 159633DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 868831DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 833245DEST_PATH_IMAGE008
中的一个角度，以制备对应于
Figure 579484DEST_PATH_IMAGE009
中的一个信号态；第一保偏偏振分束器将所接收的信号光脉冲和本振光脉冲旋转至不同的偏振方向并进行合束，传入单模光纤发送至接收端；电子偏振控制器用于对所接收信号光脉冲和本振光脉冲进行偏振漂移的补偿；第二保偏偏振分束器将所接收的信号光脉冲和本振光脉冲根据偏振方向进行分束并重新旋转使偏振一致，并将信号光脉冲传送至第二分束器，将本振光脉冲传送至相位调制器；相位调制器用于将所接收本振光脉冲的相位进行随机0或
Figure 262138DEST_PATH_IMAGE001
的旋转，以实现对应q测量基矢或者p测量基矢的选择。
第二分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器构成一个零差测量装置，其操作与实施例一无异。
图5给出本发明所述方法的成码率与传输距离的关系。图中实线给出在额外噪声为0.02的情况下，本发明的传输距离与成码率关系的数值模拟结果，同时用虚线给出对比文献中零差测量协议在相同额外噪声条件下的数值模拟结果。对于本发明与对比文献，后选择参数均设置为
Figure 775028DEST_PATH_IMAGE015
，还使用在本领域常用的光纤衰减为0.2dB/km。本图使用对比文献所述的数值模拟方法估计窃听者获得的信息量时，设置光子数截取为8光子。此外，本发明与对比文献协议都对发送端发送的信号光光强在不同距离下进行了优化，分别选择对本发明和对比文献成码率最高的取值。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (6)

1.一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
制备并发送信号光脉冲：对于每一个信号光脉冲，发送端将信号光脉冲等概率制备成四种信号态之一，并发送给接收端，所述四种信号态仅相位信息不同，分别相对原始相位旋转
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure DEST_PATH_IMAGE004
角度；
测量信号光脉冲：接收端等概率选择p基矢或者q基矢，并在对应基矢下对所接收的信号光脉冲进行零差测量；
码率估计：重复进行上述步骤多轮次直至完成数据积累；随后，接收端向发送端公布每次所选择的测量基矢，发送端和接收端根据测量基矢的选择将所有轮次分为两组；对于每一组，发送端和接收端随机公布部分轮次的相位数据和测量结果数据，所述数据用于安全码率的估计并在公布后被舍弃不用于生成密钥；所得估计结果显示成码率大于零或达到预设要求，则继续协议，否则放弃本次分发重新进行协议；
原始密钥生成：接收端根据信号态在对应基矢下的零差测量结果按照后选择方法生成对应的比特值，所述比特值作为密钥，所述后选择方法为：当测量所得结果大于
Figure DEST_PATH_IMAGE005
时记为比特0，当所得结果小于
Figure DEST_PATH_IMAGE006
时记为比特1，其他介于
Figure 954785DEST_PATH_IMAGE006
与
Figure 652351DEST_PATH_IMAGE005
之间的结果不用于成码，
Figure 15111DEST_PATH_IMAGE005
为一个非负的后选择参数；所述接收端向发送端公布后选择决定不用于成码的轮次；所述发送端生成密钥的方法为：对于随机发送的四种态
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，式中
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为光强，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为虚数单位，其分别对应取值{00、10、11、01}，发送端在发送态对应的取值中选择前一个比特或后一个比特作为原始密钥；其中对于所发送每一种信号态，当接收端选择在q基矢下测量，则发送端选择每组取值中的前一位比特值，当接收端选择在p基矢下测量，则发送端选择每组取值中的后一位比特值，若接收端公布的信号态在后选择中不被用于成码，则发送端将所述信号态生成的密钥比特删除；
提取安全密钥：发送端和接收端进行纠错和隐私放大并生成最终的安全密钥。
2.根据权利要求1所述的一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法，其特征在于，接收端通过对本振光脉冲随机相位旋转0或
Figure DEST_PATH_IMAGE011
并发送来完成测量基矢的等概率选择。
3.根据权利要求1所述的一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发方法，其特征在于，对于安全码率的估计包括：以接收端的密钥为基准对发送端和接收端双方密钥比特错误率的估计，和对窃听者可获取的关于接收端密钥的信息量的估计。
4.一种高抗噪性四态调制零差测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、接收端和连接两端的信道；所述发送端和接收端均包括后处理模块，用于实现对本端各模块的控制以及执行数据后处理，其特征在于，所述发送端还包括制备模块，用于产生信号光脉冲并将所述信号光脉冲等概率制备成四种信号态中的一种，发送给接收端；所述接收端还包括基矢选择模块和零差测量模块，所述基矢选择模块用于对本振光脉冲进行相位调制来选择测量基矢，所述零差测量模块用于在对应基矢下进行零差测量；所述发送端或接收端还包括本振光发送模块，所述本振光发送模块用于发送本振光脉冲。
5.根据权利要求4所述的一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发系统，其特征在于，
所述发送端包括第一脉冲激光器和正交相移键控单元，所述第一脉冲激光器用于产生原始信号光脉冲，所述正交相移键控单元将所接收的信号光脉冲相对原始相位以等概率旋转
Figure 971173DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 684745DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 287634DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 961192DEST_PATH_IMAGE004
中的一个角度，以制备四种信号态中的一个信号态，经相位调制后的信号光脉冲经过单模光纤被发送至接收端；
所述接收端包括电子偏振控制器，第二脉冲激光器，相位调制器，分束器，第一探测器，第二探测器和差分放大器；电子偏振控制器用于对所接收信号光脉冲进行偏振漂移的补偿；第二脉冲激光器用于产生光强与相位稳定的强经典光脉冲作为本振光脉冲；相位调制器用于将所接收本振光脉冲的相位进行随机0或
Figure 940518DEST_PATH_IMAGE011
的旋转，以实现对应q测量基矢或者p测量基矢的选择；分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器构成零差测量模块，所述分束器用于将所接收的信号光脉冲和本振光脉冲进行干涉，所述第一探测器和第二探测器用于对干涉结果进行测量，所述测量在差分放大器处得到一个电压值，所述电压值指示所选择基矢下的测量结果。
6.根据权利要求4所述的一种高抗噪性四态调制零差测量量子密钥分发系统，其特征在于，
所述发送端包括脉冲激光器，第一分束器，正交相移键控单元和第一保偏偏振分束器；脉冲激光器用于产生脉冲激光；第一分束器用于将所接收的脉冲激光分为两束，其中一束作为本振光脉冲，另一束作为信号光脉冲；正交相移键控单元用于将所接收的信号光脉冲相对原始相位以等概率旋转
Figure 750342DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 524132DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 595905DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 739442DEST_PATH_IMAGE004
中的一个角度，以制备四种信号态中的一个信号态；第一保偏偏振分束器用于将所接收的信号光脉冲和本振光脉冲进行合束并通过单模光纤发送至接收端；
所述接收端包括电子偏振控制器，第二保偏偏振分束器，相位调制器，第二分束器，第一探测器，第二探测器和差分放大器；电子偏振控制器用于对所接收信号光脉冲和本振光脉冲进行偏振漂移的补偿；第二保偏偏振分束器用于对所接收的信号光脉冲和本振光脉冲进行分束，将信号光脉冲传送至第二分束器，并将本振光脉冲传送至相位调制器；相位调制器用于将所接收本振光脉冲的相位进行随机0或
Figure 839991DEST_PATH_IMAGE011
的旋转，以实现对应q测量基矢或者p测量基矢的选择；第二分束器、第一探测器、第二探测器和差分放大器构成零差测量装置，所述第二分束器用于将所接收的信号光脉冲和本振光脉冲进行干涉，第一探测器和第二探测器用于对干涉结果进行测量，所述测量在差分放大器处得到一个电压值，所述电压值指示所选择基矢下的测量结果。
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