CN113285759A - 面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统及其实现方法，所述系统包括信号发送端、海水传输信道和信号接收端，信号发送端对脉冲进行离散调制和加载密钥信息后，通过海水传输信道将其发送至信号接收端，信号接收端使用混合线性放大器对量子信号进行放大处理后，再对其进行相干检测得到密钥信息；本发明能提高水域中量子密钥分发的密钥率，进而延长传输距离，减少密钥丢失风险。

Description

面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统及其实现 方法
技术领域
本发明属于量子通信技术领域，特别是涉及一种面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统及其实现方法。
背景技术
水下通信系统作为全球通信系统中的一环，在海底探测、海洋军事等诸多领域占据着至关重要的作用，传统的水下通信通常采用声波技术，但该技术在使用过程中存在着容易被窃听的缺陷，相较于传统的通信技术，连续变量量子密钥分发(CV-QKD)技术因可以在一定程度上避免被窃听的风险，近些年来得到了巨大的发展；截至目前，该技术已在光纤通信系统和自由空间大气通信系统中得到了实验验证，且被证明具有良好的商业应用前景，然而，该技术在水下通信系统中的应用却迟迟无法得以实现，这主要归因于水介质对光的吸收和散射作用造成的衰减效应太强，导致信号光在水中的透过率低下，进而使密钥生成率低，密钥安全传输距离短，此外，在通信双方之间存在障碍物等复杂情况下，信号光也会无法传输进而导致通信失败。
鉴于水介质对光的吸收和散射作用是由其自身组成成分决定的，因而无法通过改变特定场景中的水质来提高系统的透过率，以达到改善系统性能的目的，另外，由于CV-QKD技术的本质仍然是光通信技术，在面向复杂的水下环境时信号光的传播可能会被阻断，在此情况下，如何提高系统适应复杂环境的能力，以及如何提高系统密钥生成率，延长密钥的安全传输距离，关系到CV-QKD技术在水下通信系统中的应用前景。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统，在该系统中引入混合线性放大器对信号接收端获得的信号进行放大后检测，使连续变量量子密钥分发的密钥率提高，信噪比降低。
本发明还提供了一种面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发实现方法。
本发明所采用的技术方案是，面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统，包括信号发送端、海水传输信道和信号接收端；
所述信号发送端，用于对脉冲光进行离散调制、加载密钥信息后，将其经过海水传输信道发送至信号接收端；
所述信号接收端，用于使用混合线性放大器对量子信号进行放大处理，再对其进行相干检测得到密钥信息；
所述海水传输信道，用于光信号的传输。
进一步的，所述信号发送端包括：
偏振分束器1，用于将脉冲激光器产生脉冲相关光分为本振光和原始信号光，使原始信号光入射电光强度调制器1，本振光入射偏振合束器；
电光强度调制器1，用于对原始信号光进行强度调制，而后使其入射电光相位调制器1；
电光相位调制器1，用于对原始信号光进行相位调制，而后使其入射偏振合束器；
所述偏振合束器，用于将本振光和调制后的信号光耦合成一路量子信号。
进一步的，所述海水传输信道包括上行水链路和下行水链路。
进一步的，所述信号接收端包括：
偏振控制器，用于对量子信号进行偏振补偿，再使其入射偏振分束器2；
偏振分束器2，用于将量子信号分为信号光和本振光，并使本振光入射分束器1，信号光入射混合线性放大器；
分束器1，用于将本振光均分为两部分，分别入射分束器6和混合线性放大器；
分束器6，用于将入射光分为两部分，分别入射探测器和混合线性放大器的电光强度调制器2；
混合线性放大器，用于对入射信号光进行放大处理，并将放大结果输入探测器；
探测器，用于将检测结果输入数据分析仪进行分析。
进一步的，所述混合线性放大器包括：
分束器2，用于将入射信号光分为两部分分别入射分束器3和分束器5；
分束器3，用于将入射信号光分为两部分分别入射零差探测器1和零差探测器2；
分束器4，用于将入射本振光均分为两部分，一部分输入零差探测器1，另一部分经电光相位调制器2调制后输入零差探测器2；
零差探测器1，用于检测入射信号的正则位移；
零差探测器2，用于检测入射信号的正则相位；
无噪线性放大器，用于将正则位移和正则相位放大后，输入确定性线性放大器；
确定性线性放大器，用于将无噪线性放大器结果放大后，分别输入电光强度调制器2和电光相位调制器3；
电光强度调制器2，用于对入射信号进行强度调制，再将其输入电光相位调制器3；
电光相位调制器3，用于对入射信号进行相位调制，再将其输入分束器5；
分束器5，用于入射信号混合后，输入探测器。
进一步的，所述脉冲激光器采用NOPA Slim飞秒OPO激光器，电光强度调制器1采用Photoline MX-LN-10，电光相位调制器1采用型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，偏振合束器1采用Thorlabs PBC980PM-FC偏振光束耦合器。
进一步的，所述偏振合束器2采用Thorlabs PBC980PM-FC偏振光束耦合器，所述分束器均采用中心波长为520nm、带宽范围为±10nm、端口类型为1×2的可调分束比分束器，所述电光强度调制器2采用Photoline MX-LN-10，所述电光相位调制器2和电光相位调制器3采用型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，所述零差探测器采用Thorlabs PDA435A平衡放大光电探测器。
面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发实现方法，具体包括以下步骤：
步骤1：脉冲激光器将产生的脉冲相干光发送至偏振分束器1，偏振分束器1将脉冲相干光分为原始信号光和本振光，依次对原始信号光进行电光强度调制和电光相位调制后，将其与本振光耦合成一路量子信号，经过海水传输信道发送给偏振控制器；
步骤2：偏振控制器对接收信号进行偏振补偿，并将补偿结果输送给偏振分束器2，偏振分束器2将量子信号分为信号光和本振光，将信号光输入混合线性放大器，将本振光输入分束器1；
步骤3，分束器1将本振光均分为两部分分别输入混合线性放大器和分束器6，分束器6将入射信号均分为两部分，一部分输入混合线性放大器作为辅助光，另一部分输入探测器；
步骤4，混合线性放大器对输入信号进行放大处理后，将其输入探测器，探测器将检测信号输入数据分析仪进行分析。
进一步的，所述混合线性放大器对信号进行放大的过程如下：
分束器2将入射信号光分为两部分，分别输入分束器5和分束器3，分束器3将入射信号分为两部分，分别输入零差探测器1和零差探测器2；
分束器4将入射本振光分为两部分，一部分输入零差探测器1，另一部分经过电光相位调制后输入零差探测器2；
零差探测器1检测入射信号的正则位移x，零差探测器2检测入射信号的正则相位p，并将检测结果输入无噪线性放大器，无噪线性放大器将测量输入|α＝x+ip>按高斯滤波函数
Figure BDA0003085934600000041
进行概率性放大，并将放大结果输入确定性线性放大器进行处理，其中i为虚数，αc为截断参数，gN为无噪线性放大器器的增益；
确定性线性放大器将处理结果分别输入电光强度调制器2和电光相位调制器3，电光强度调制器2对其及分束器6输入的辅助光进行强度调制后，将调至结果输入电光相位调制器3进行相位调制，电光相位调制器3将调制结果输入分束器5，分束器5将其与入射信号光混合输入探测器。
本发明的有益效果是：本发明使用两个零差探测器分别检测信号光的正则位移和正则相位，再对其进行无噪线性放大和确定性线性放大，对放大结果进行检测，本发明结合两个放大器的优点尽可能提高放大倍数，使连续变量量子密钥分发的密钥率提高，信噪比降低，在一定程度上延长密钥的传输距离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的方案图。
图2是本发明实施例的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，面向复杂环境下的水下连续变量量子密钥分发系统，包括信号发送端、海水传输信道和信号接收端，所述信号发送端将脉冲激光器产生的脉冲光分为两部分，一部分作为本振光，另一部分经离散调制后加载密钥信息，再与本振光耦合，通过海水传输信道发送至信号接收端，海水传输信道作为光信号的传输媒介，其对光信号的衰减主要由海水对光的吸收和散射导致；信号接收端利用混合线性放大器对接收的量子信号进行放大处理，而后对其进行相干检测得到密钥信息。
使用本发明进行密钥分发时，信号发送端或信号接收端首先发出信标光，信标光经水面反射后由信号接收端/信号发送端探测，进而判断信标光与信号接收端/信号发送端的位置偏差，自适应调整信号发送端和信号接收端的角度以便进行密钥传输，该过程中信标光是强光且双向发送和接收，其对准与调整由光束捕获、对准和跟踪(ATP)系统完成。
如图2所示，所述信号发送端包括：
脉冲激光器，用于发射脉冲相干光；
偏振分束器1，用于将脉冲相干光分为本振光和原始信号光，且使原始信号光入射电光强度调制器，本振光入射偏振合束器；
电光强度调制器1，对原始信号光的强度进行调制，而后使其入射电光相位调制器1；
电光相位调制器1，对原始信号光的相位进行调制，而后使其入射偏振合束器；
偏振合束器，用于将本振光和调制后的信号光耦合到一起，而后入射到海水传输信道中；
海水传输信道包括上行水链路和下行水链路，信号发送端发射的耦合光束以一定角度在海水中斜向上传播，到达海面后一部分光束经折射入射到大气中，另一部分经海面反射到海水中，沿斜向下方向继续在海水中传输至信号接收端。
所述信号接收端包括：
偏振控制器对接收到的光束进行偏振补偿，然后使其入射偏振分束器2；
偏振分束器2将耦合光束中的信号光和本振光分离，并使本振光入射分束器1，信号光入射分束器2；
分束器1将本振光按50：50的比例分成两部分，一部分入射分束器4，另一部分入射分束器6；
分束器2将信号光分成两部分，一部分经延迟光纤入射分束器5，另一部分入射分束器3；
分束器3将入射信号光均等地分成两部分，一部分入射零差探测器1，另一部分入射零差探测器2；
分束器4，用于将入射本振光按50：50的比例分成两部分，一部分入射零差探测器1，另一部分输入电光相位调制器2，电光相位调制器2对入射本振光进行90°相移，并将相移后的本振光入射到零差探测器2；
无噪线性放大器对零差探测器1测量的正则位移x和零差探测器2测量的正则相位p进行无噪线性光放大，并将放大后的电信号输入确定性线性放大器；无噪线性光放大过程是将测量输出|α＝x+ip>按概率的高斯滤波函数
Figure BDA0003085934600000061
进行概率性放大，i为虚数，αc为截断参数，若α＞αc，则不进行滤波放大，gN为无噪线性放大器器的增益；
确定性线性放大器，对入射电信号进行放大，放大增益为gD，放大后的电信号分别输入电光强度调制器2和电光相位调制器3，具体来说，输入电光强度调制器2的电信号对应振幅
Figure BDA0003085934600000062
输入电光相位调制器3的电信号对应相位
Figure BDA0003085934600000063
x′、p′分别为无噪线性光放大和确定性线性放大对x、p放大之后对应的信号；
分束器6将入射信号按50：50的比例分成两部分，一部分入射到电光强度调制器2，另一部分入射到探测器；
电光强度调制器2，用于对入射信号进行强度调制，并使调制后的光进一步入射电光相位调制器3，调制所需的电信号来自于确定性放大后的电信号；
电光相位调制器3，用于对入射光进行相位调制，使调制后的信号入射到分束器5，所需的相位调制电信号来自于确定性放大后的电信号；
分束器5将入射信号光与由电光相位调制器3射入的辅助光混合输入探测器，完成对信号光在相空间的位移操作，分束器5的透射率为98％。
所述脉冲激光器采用NOPA Slim飞秒OPO激光器，波长可调谐，波段为470-700nm，脉宽<30fs，能量为7uJ；电光强度调制器采用Photoline MX-LN-10，具有高消光比(>20dB)、低损耗(2.5dB)、高带宽(10GHz)的特点；电光相位调制器采用型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，具有高消光比(>20dB)、低损耗(2.5dB)、高带宽(10GHz)的特点，可以满足更高速率的量子密钥通信系统，尽量减少光学器件带来的额外损耗；偏振合束器采用ThorlabsPBC980PM-FC偏振光束耦合器，将两束正交偏振光耦合入一根光纤中，高消光比(>18dB)、低损耗(<2dB)；所述分束器采用中心波长为520nm、带宽范围为±10nm、端口类型为1×2的可调分束比分束器，全带宽内分束比可调；所述零差探测器采用Thorlabs PDA435A平衡放大光电探测器，共模抑制比大于20dB，带宽可达350MHz。
本发明实施例面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统的实现方法，按照以下步骤进行：
步骤1：脉冲激光器将产生的脉冲相干光发送至偏振分束器1，偏振分束器1将脉冲相干光分为原始信号光和本振光，并将原始信号光依次输入电光强度调制器1和电光相位调制器1，将本振光发送至偏振合束器；
步骤2：电光强度调制器1和电光相位调制器1对原始信号光进行振幅调制和相位调制后，将信号光输送至偏振合束器，偏振合束器将本振光和信号光耦合成一路量子信号，经过海水传输信道发送给偏振控制器；
步骤3：偏振控制器对接收信号进行偏振补偿，并将补偿结果输送给偏振分束器2，偏振分束器2将量子信号分为信号光和本振光，将信号光输入混合线性放大器，将本振光输入分束器1；
步骤4，分束器1将本振光均分为两部分分别输入混合线性放大器和分束器6，分束器6将入射信号均分为两部分，一部分输入混合线性放大器作为辅助光，另一部分输入探测器；
步骤5，混合线性放大器对输入信号进行处理后，将其输入探测器，探测器将检测信号输入数据分析仪进行分析。
所述步骤2中对原始信号光进行调制包括：使用随机数生成器等概率地从集合{0，1，2，3}中抽取随机数生成随机数串，将量子信息编码在经强度调制的信号光上，并将其发送至电光相位调制器1进行相位调制。
本发明使用无噪线性放大器器和确定性线性放大器对信号接收端获得信号进行放大，其中无噪线性放大器器能无噪的放大光信号，但无噪放大是概率性的，放大倍数越大，概率越低，确定性线性放大器能以1的概率放大光信号，但是会引入附加噪声从而降低信号光的信噪比，本发明结合两个放大器的优点，在保证无噪放大概率尽可能高的同时尽可能提高放大倍数，使连续变量量子密钥分发的密钥率提高，信噪比降低。
当使用的探测器为零差探测器时，本发明的密钥率随无噪线性放大器器gN的增加，呈现先缓慢增加、后急剧减小，随确定性线性放大器gD的增加而增加，增加速率逐渐减小；当使用的探测器为外差探测器时，本发明的密钥率随无噪线性放大器器gN的增加，呈现先缓慢增加、后急剧减小，随确定性线性放大器gD的增加而降低，降低速率逐渐减小，在实际应用中根据海水传输信道的情况调整两个放大器的增益，以提高密钥率。
实施例
对本发明和传统的基于连续变量量子密钥分发系统(不使用预混合线性放大器)进行数值模拟，检测两者的调制方差，检测结果如表1所示：
表1传统量子密钥分发系统与本发明的检测数据
Figure BDA0003085934600000081
调制方差VA制备的相干态表示为|αk>＝|αei(2k+1)π/4>，其中α为正数且满足VA＝2α2，i为虚数，k为正整数，k∈{0,1,2,3}，调制方差是通信系统中的重要参数，决定了调制后原始信号的质量，通过选择调制方差的最佳值可最大化密钥率；由表1可知：不使用混合线性放大器时，传统的量子密钥分发系统中零差探测和外差探测的调制方差均较大，相应的最大密钥率较低，使用混合线性放大器后，零差探测器和外差探测器的调制方差均减小，最大密钥率均增大，因此引入混合线性放大器可以减小调制方差以提高最大密钥率。
流程或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括信号发送端、海水传输信道和信号接收端；
所述信号发送端，用于对脉冲光进行离散调制、加载密钥信息后，将其经过海水传输信道发送至信号接收端；
所述信号接收端，用于使用混合线性放大器对量子信号进行放大处理，再对其进行相干检测得到密钥信息；
所述海水传输信道，用于光信号的传输。
2.根据权利要求1所述的面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述信号发送端包括：
偏振分束器1，用于将脉冲激光器产生脉冲相关光分为本振光和原始信号光，使原始信号光入射电光强度调制器1，本振光入射偏振合束器；
电光强度调制器1，用于对原始信号光进行强度调制，而后使其入射电光相位调制器1；
电光相位调制器1，用于对原始信号光进行相位调制，而后使其入射偏振合束器；
所述偏振合束器，用于将本振光和调制后的信号光耦合成一路量子信号。
3.根据权利要求1所述的面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述海水传输信道包括上行水链路和下行水链路。
4.根据权利要求1所述的面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述信号接收端包括：
偏振控制器，用于对量子信号进行偏振补偿，再使其入射偏振分束器2；
偏振分束器2，用于将量子信号分为信号光和本振光，并使本振光入射分束器1，信号光入射混合线性放大器；
分束器1，用于将本振光均分为两部分，分别入射分束器6和混合线性放大器；
分束器6，用于将入射光分为两部分，分别入射探测器和混合线性放大器的电光强度调制器2；
混合线性放大器，用于对入射信号光进行放大处理，并将放大结果输入探测器；
探测器，用于将检测结果输入数据分析仪进行分析。
5.根据权利要求4所述的面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述混合线性放大器包括：
分束器2，用于将入射信号光分为两部分分别入射分束器3和分束器5；
分束器3，用于将入射信号光分为两部分分别入射零差探测器1和零差探测器2；
分束器4，用于将入射本振光均分为两部分，一部分输入零差探测器1，另一部分经电光相位调制器2调制后输入零差探测器2；
零差探测器1，用于检测入射信号的正则位移；
零差探测器2，用于检测入射信号的正则相位；
无噪线性放大器，用于将正则位移和正则相位放大后，输入确定性线性放大器；
确定性线性放大器，用于将无噪线性放大器结果放大后，分别输入电光强度调制器2和电光相位调制器3；
电光强度调制器2，用于对入射信号进行强度调制，再将其输入电光相位调制器3；
电光相位调制器3，用于对入射信号进行相位调制，再将其输入分束器5；
分束器5，用于入射信号混合后，输入探测器。
6.根据权利要求2所述的面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述脉冲激光器采用NOPA Slim飞秒OPO激光器，电光强度调制器1采用Photoline MX-LN-10，电光相位调制器1采用型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，偏振合束器1采用Thorlabs PBC980PM-FC偏振光束耦合器。
7.根据权利要求5所述的面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述偏振合束器2采用Thorlabs PBC980PM-FC偏振光束耦合器，所述分束器均采用中心波长为520nm、带宽范围为±10nm、端口类型为1×2的可调分束比分束器，所述电光强度调制器2采用Photoline MX-LN-10，所述电光相位调制器2和电光相位调制器3采用型号为MPZ-LN-10的电光相位调制器，所述零差探测器采用Thorlabs PDA435A平衡放大光电探测器。
8.如权利要求1-7任一项所述面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发系统的实现方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：脉冲激光器将产生的脉冲相干光发送至偏振分束器1，偏振分束器1将脉冲相干光分为原始信号光和本振光，依次对原始信号光进行电光强度调制和电光相位调制后，将其与本振光耦合成一路量子信号，经过海水传输信道发送给偏振控制器；
步骤2：偏振控制器对接收信号进行偏振补偿，并将补偿结果输送给偏振分束器2，偏振分束器2将量子信号分为信号光和本振光，将信号光输入混合线性放大器，将本振光输入分束器1；
步骤3，分束器1将本振光均分为两部分分别输入混合线性放大器和分束器6，分束器6将入射信号均分为两部分，一部分输入混合线性放大器作为辅助光，另一部分输入探测器；
步骤4，混合线性放大器对输入信号进行放大处理后，将其输入探测器，探测器将检测信号输入数据分析仪进行分析。
9.根据权利要求8所述的面向复杂环境的水下连续变量量子密钥分发实现方法，其特征在于，所述混合线性放大器对信号进行放大的过程如下：
分束器2将入射信号光分为两部分，分别输入分束器5和分束器3，分束器3将入射信号分为两部分，分别输入零差探测器1和零差探测器2；
分束器4将入射本振光分为两部分，一部分输入零差探测器1，另一部分经过电光相位调制后输入零差探测器2；
零差探测器1检测入射信号的正则位移x，零差探测器2检测入射信号的正则相位p，并将检测结果输入无噪线性放大器，无噪线性放大器将测量输入|α＝x+ip＞按高斯滤波函数
Figure FDA0003085934590000031
进行概率性放大，并将放大结果输入确定性线性放大器进行处理，其中i为虚数，αc为截断参数，gN为无噪线性放大器器的增益；
确定性线性放大器将处理结果分别输入电光强度调制器2和电光相位调制器3，电光强度调制器2对其及分束器6输入的辅助光进行强度调制后，将调至结果输入电光相位调制器3进行相位调制，电光相位调制器3将调制结果输入分束器5，分束器5将其与入射信号光混合输入探测器。
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