CN113660043B - 一种信道化接收的本地本振cvqkd方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种信道化接收的本地本振连续变量量子密钥分发(CVQKD)方法，包括：将发送端发送的连续光载波分为两路，一路经量子密钥调制形成量子信号光，另一路经载波抑制的双边带调制形成经典导频光，合束后进入光纤信道传输；接收端接收合束传输的光信号，并与本振光耦合后进行低速平衡相干探测；调谐本振光的频率将量子信号光分为两个信道进行探测，将探测结果进行模数转换，得到两个信道的数字信号；利用数字补偿算法对数字信号进行补偿，再通过频带重构算法完成量子密钥信息的解调；解调得到的量子密钥信息经后处理得到最终的量子密钥。本发明提出的方案能够降低CVQKD系统的过噪声，提供重复频率和安全传输码率以及完成量子密钥信息的精准解调。

Description

一种信道化接收的本地本振CVQKD方法及系统
技术领域
本发明涉及量子保密通信技术领域，特别涉及一种信道化接收的本地本振CVQKD方法及系统。
背景技术
连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum Key Distribution,CVQKD)由于具有与相干光通信的高兼容性、低成本和高安全码率等优点而成为量子保密通信领域的研究热点。当前CVQKD技术主要分为随路本振和本地本振两种技术方案，本地本振CVQKD由于将本振源置于Bob端，从根本上避免了本振光的安全漏洞和强度瓶颈问题。但随着本地本振CVQKD技术的深入研究，本地本振CVQKD系统在相干接收方面面临以下关键技术问题：
(1)随着本地本振CVQKD方案中量子密钥调制的重复频率提升，高速量子信号光在平衡相干探测时面临瓶颈问题，主要原因是宽带平衡探测器的增益系数很低，导致高速量子信号光探测效率低下，进而影响安全码率的生成，而高增益的平衡探测器的带宽很小，无法满足高速量子信号光的宽带探测需求。因此，如何实现高速量子信号光宽带、高效的平衡相干探测是当前高速本地本振CVQKD系统的关键技术之一。
(2)本地本振CVQKD方案中量子信号光在平衡相干探测时容易受到两个独立激光器相位快速漂移和光纤信道扰动的影响，需要引入一路与量子信号光共纤传输的经典导频光以进行相位噪声补偿，实现量子密钥信息的精确解调，然而经典参考光在产生、共纤传输和相干探测时容易对量子信号光造成串扰，导致系统过噪声增加，进而降低安全码率的生成。因此，如何保证经典导频光与量子信号光在产生、共纤传输和相干探测时相互之间无串扰，成为当前本地本振CVQKD系统的关键技术之一。
发明内容
为解决本地本振CVQKD系统中高速量子信号光宽带、高效的探测的技术问题，以及量子信号光与经典导频光在产生、共纤传输和相干探测时的串扰问题，实现本地本振CVQKD系统重复频率和安全码率的提升。本发明提出一种信道化接收的本地本振CVQKD方法，本发明只需借助频分复用即可实现量子信号光与经典导频光之间无串扰的产生、共纤传输和相干探测，同时将量子信号光分为两个信道探测，利用低速平衡探测器即可实现高速量子信号光高效的平衡相干探测，为未来本地本振CVQKD系统重复频率和安全码率提升提供了一种可靠解决方案。
本发明采用的技术方案如下：一种信道化接收的本地本振CVQKD方法，包括：
步骤1、将发送端发送的连续光载波分为两路，一路经量子密钥调制形成量子信号光，另一路经载波抑制的双边带调制形成经典导频光；
步骤2、量子信号光与经典导频光合束进入光纤信道传输；
步骤3、接收端接收合束传输的光信号，并将该光信号与本振光耦合后进行低速平衡相干探测；
步骤4、调谐本振光的频率将量子信号光分为两个信道进行探测，并将两个信道的探测结果进行模数转换，分别得到两个信道的数字信号；
步骤5、利用数字补偿算法分别对两个信道的数字信号进行数字补偿，再通过频带重构算法完成量子密钥信息的解调；
步骤6、解调得到的量子密钥信息经后处理得到最终的量子密钥。
进一步的，所述步骤1中，载波抑制的双边带调制的调制频率大于量子信号光带宽的一半。
进一步的，所述步骤4中，将两个信道分为第一信道与第二信道，第一信道探测时本振光的频率fB1满足fA+Δfq/2<fB1<fA+fm；第二信道探测时本振光的频率fB2满足fA-fm<fB2<fA-Δfq/2；其中，fA为连续光载波频率，fm为载波抑制的双边带调制的调制频率，Δfq为量子信号光的带宽。
进一步的，步骤4中，第一信道中数字信号的带宽Δf1满足Δfq/2<Δf1<Δfq，第二信道中数字信号的带宽Δf2满足Δfq/2<Δf2<Δfq。
进一步的，所述步骤6中，后处理包括数据协调和私密放大处理。
本发明还提供了一种信道化接收的本地本振CVQKD系统，包括连续激光产生模块、光分束器、量子密钥调制模块、双边带调制模块、光合束器、可调谐光源、光耦合器、低速平衡相干探测器、模数转换模块、数字信号处理模块以及后处理模块；
所述连续激光产生模块产生连续光载波至光分束器，经光分束器分为两路分别传至量子密钥调制模块进行量子密钥调制产生量子信号光和双边带调制模块进行载波抑制的双边带调制产生经典导频光，再通过光合束器将量子信号光和经典导频光合束并通过光纤信道传输；光耦合器将光纤信道传输的光信号与可调谐光源输出的本振光耦合后传输至低速平衡相干探测器进行相干探测；探测结果依次经模数转换模块、数字信号处理模块以及后处理模块处理得到量子密钥；所述可调谐光源输出两次不同频率的本振光将接收的光信号分为两个信道进行相干探测。
进一步的，所述双边带调制模块的调制频率大于双边带调制模块调制形成的量子信号光带宽的一半。
进一步的，所述可调谐光源第一次输出的本振光频率fB1满足fA+Δfq/2<fB1<fA+fm，第二次输出的本振光频率fB2分别满足fA-fm<fB2<fA-Δfq/2，其中，fA为连续光载波频率，fm为双边带调制的调制频率，Δfq为量子密钥调制模块输出的量子信号光的带宽。
进一步的，所述模数转换模块将探测结果转换为数字信号，第一次探测结果转换后的数字信号带宽Δf1满足Δfq/2<Δf1<Δfq，第二次探测结果转换后的数字信号带宽Δf2满足Δfq/2<Δf2<Δfq。
进一步的，所述数字信号处理模块用于采用数字补偿算法分别对两个信道的数字信号进行数字补偿，并通过频带重构算法完成量子密钥信息的解调；后处理模块对解调后的量子密钥信息进行数据协调和私密放大处理获得最终的量子密钥。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
(1)本发明通过配置量子信号光和经典导频光的频率关系，有效地实现量子信号光和经典导频光之间无串扰的产生、共纤传输和相干探测，能够有效降低CVQKD系统的过噪声。
(2)本发明通过调谐本振光的频率将量子信号光分为两个信道进行探测，有效地降低平衡相干探测的带宽需求，提升高速量子信号光的探测效率，有利于提升CVQKD系统的重复频率和安全传输码率。
(3)本方明采用载波抑制的双边带调制光信号作为经典导频光，保证量子信号光的两个探测信道均有相应的经典导频信息，使得每个信道量子密钥信息得到精确补偿，进而实现量子密钥信息的精确解调。
附图说明
图1为本发明提出的信道化接收的本地本振CVQKD方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
如图1所示，本发明提出了一种信道化接收的本地本振CVQKD方法，包括：将发送端发送的连续光载波分为两路，一路经量子密钥调制形成量子信号光，另一路经载波抑制的双边带调制形成经典导频光；量子信号光与经典导频光合束进入光纤信道传输；接收端接收合束传输的光信号，并将该光信号与本振光耦合后进行低速平衡相干探测；调谐本振光的频率将量子信号光分为两个信道进行探测，并将两个信道的探测结果进行模数转换，分别得到两个信道的数字信号；利用数字补偿算法分别对两个信道的数字信号进行数字补偿，再通过频带重构算法完成量子密钥信息的解调；解调得到的量子密钥信息经后处理得到最终的量子密钥。下面进行具体阐述：
首先将发送端发送的频率为fA连续光载波分为两路，一路光载波经过量子密钥调制形成量子信号光：
Figure BDA0003174565900000041
其中，Q(t)为量子密钥信号，调制方式可为高斯调制或离散调制。
另一路光载波经载波抑制的双边带调制形成经典导频光，表示为：
Figure BDA0003174565900000042
其中，Ar为下路光信号的幅值，fm和m为载波抑制的双边带调制频率和系数。
发送端的量子信号光和经典导频光合束进入光纤信道传输。到达接收端的光信号与可调谐光源输出频率为fB的本振光耦合，然后进行低速平衡相干探测。
可调谐光源将本振光频率fB调谐到频率fA+Δfq/2与fA+fm之间，相干探测得到带宽为Δf1的量子频带和导频fA-fB+fm，即信道1，将本振光频率fB调谐到频率fA-fm与fA-Δfq/2之间，相干探测得到带宽为Δf2的量子频带和导频fB-fA+fm，即信道2。
信道1和信道2的探测结果通过模数转换后进行数字信号处理，利用数字补偿算法分别利用导频fA-fB+fm和fB-fA+fm对信道1和信道2中量子密钥信号进行数字补偿，消除相位噪声，然后利用频带重构算法将信道1和信道2中的量子密钥信号进行频带重构实现量子密钥信息精确解调，最后通过后处理的数据协调和私密放大获得最终的量子密钥。
本实施例中还提供了一具体示例：
发射端输出频率为fA≈193.5THz的连续光载波分为两路，上路光载波经量子密钥调制形成重复频率为fq＝100MHz，带宽约为Δfq≈1GHz的高斯调制量子信号光。下路光载波经载波抑制的双边带调制形成频率为f1-650MHz和f1+650MHz的经典导频光。
调谐本振光频率fB＝193.5006THz，到达接收端的光信号与本振光进行平衡相干探测得到量子频带500MHz<Δf1<1GHz，对应的导频边带频率(50MHz)fA-fB+fm，即获得信道1的探测结果。调谐本振光频率fB＝193.4994THz，到达接收端的光信号与本振光进行平衡相干探测得到量子频带500MHz<Δf2<1GHz，对应的导频边带频率(50MHz)fB-fA+fm，即获得信道2的探测结果，其中Δf1和Δf2具体大小由低速平衡探测器带宽和设计的频带重构算法决定。
经模数转换后，设计相应的数字信号处理算法，利用导频边带频率(50MHz)fA-fB+fm对信道1中量子密钥信号进行数字补偿，利用导频边带频率(50MHz)fB-fA+fm对信道2中量子密钥信号进行数字补偿，然后利用频带重构算法实现信道1和信道2的量子信号的频带重构，完成量子密钥信息的解调。最后利用后处理的数据协调和私密放大获得最终的量子密钥。
实施例2
本实施例提供了一种信道化接收的本地本振CVQKD系统，包括连续激光产生模块、光分束器、量子密钥调制模块、双边带调制模块、光合束器、可调谐光源、光耦合器、低速平衡相干探测器、模数转换模块、数字信号处理模块以及后处理模块；
所述连续激光产生模块产生连续光载波至光分束器，经光分束器分为两路分别传至量子密钥调制模块进行量子密钥调制产生量子信号光和双边带调制模块进行载波抑制的双边带调制产生经典导频光，再通过光合束器将量子信号光和经典导频光合束并通过光纤信道传输；光耦合器将光纤信道传输的光信号与可调谐光源输出的本振光耦合后传输至低速平衡相干探测器进行相干探测；探测结果依次经模数转换模块、数字信号处理模块以及后处理模块处理得到量子密钥；所述可调谐光源输出两次不同频率的本振光将接收的光信号分为两个信道进行相干探测。
优选的，所述双边带调制模块的调制频率大于双边带调制模块调制形成的量子信号光带宽的一半。
优选的，所述可调谐光源第一次输出的本振光频率fB1满足fA+Δfq/2<fB1<fA+fm，第二次输出的本振光频率fB2分别满足fA-fm<fB2<fA-Δfq/2，其中，fA为连续光载波频率，fm为双边带调制的调制频率，Δfq为量子密钥调制模块输出的量子信号光的带宽。
优选的，所述模数转换模块将探测结果转换为数字信号，第一次探测结果转换后的数字信号带宽Δf1满足Δfq/2<Δf1<Δfq，第二次探测结果转换后的数字信号带宽Δf2满足Δfq/2<Δf2<Δfq。
优选的，所述数字信号处理模块用于采用数字补偿算法分别对两个信道的数字信号进行数字补偿，并通过频带重构算法完成量子密钥信息的解调；后处理模块对解调后的量子密钥信息进行数据协调和私密放大处理获得最终的量子密钥。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (6)

1.一种信道化接收的本地本振CVQKD方法，其特征在于，包括：
步骤1、将发送端发送的连续光载波分为两路，一路经量子密钥调制形成量子信号光，另一路经载波抑制的双边带调制形成经典导频光；
步骤2、量子信号光与经典导频光合束进入光纤信道传输；
步骤3、接收端接收合束传输的光信号，并将该光信号与本振光耦合后进行低速平衡相干探测；
步骤4、调谐本振光的频率将量子信号光分为两个信道进行探测，并将两个信道的探测结果进行模数转换，分别得到两个信道的数字信号；
步骤5、利用数字补偿算法分别对两个信道的数字信号进行数字补偿，再通过频带重构算法完成量子密钥信息的解调；
步骤6、解调得到的量子密钥信息经后处理得到最终的量子密钥；
所述步骤4中，将两个信道分为第一信道与第二信道，第一信道探测时本振光的频率fB1满足fA+Δfq/2<fB1<fA+fm；第二信道探测时本振光的频率fB2满足fA-fm<fB2<fA-Δfq/2；其中，fA为连续光载波频率，fm为载波抑制的双边带调制的调制频率，Δfq为量子信号光的带宽；第一信道中数字信号的带宽Δf1满足Δfq/2<Δf1<Δfq，第二信道中数字信号的带宽Δf2满足Δfq/2<Δf2<Δfq。
2.根据权利要求1所述的一种信道化接收的本地本振CVQKD方法，其特征在于，所述步骤1中，载波抑制的双边带调制的调制频率大于量子信号光带宽的一半。
3.根据权利要求1所述的一种信道化接收的本地本振CVQKD方法，其特征在于，所述步骤6中，后处理包括数据协调和私密放大处理。
4.一种信道化接收的本地本振CVQKD系统，其特征在于，包括连续激光产生模块、光分束器、量子密钥调制模块、双边带调制模块、光合束器、可调谐光源、光耦合器、低速平衡相干探测器、模数转换模块、数字信号处理模块以及后处理模块；
所述连续激光产生模块产生连续光载波至光分束器，经光分束器分为两路分别传至量子密钥调制模块进行量子密钥调制产生量子信号光和双边带调制模块进行载波抑制的双边带调制产生经典导频光，再通过光合束器将量子信号光和经典导频光合束并通过光纤信道传输；光耦合器将光纤信道传输的光信号与可调谐光源输出的本振光耦合后传输至低速平衡相干探测器进行相干探测；探测结果依次经模数转换模块、数字信号处理模块以及后处理模块处理得到量子密钥；所述可调谐光源输出两次不同频率的本振光将接收的光信号分为两个信道进行相干探测；所述双边带调制模块的调制频率大于双边带调制模块调制形成的量子信号光带宽的一半；所述可调谐光源第一次输出的本振光频率fB1满足fA+Δfq/2<fB1<fA+fm，第二次输出的本振光频率fB2分别满足fA-fm<fB2<fA-Δfq/2，其中，fA为连续光载波频率，fm为双边带调制的调制频率，Δfq为量子密钥调制模块输出的量子信号光的带宽。
5.根据权利要求4所述的一种信道化接收的本地本振CVQKD系统，其特征在于，所述模数转换模块将探测结果转换为数字信号，第一次探测结果转换后的数字信号带宽Δf1满足Δfq/2<Δf1<Δfq，第二次探测结果转换后的数字信号带宽Δf2满足Δfq/2<Δf2<Δfq。
6.根据权利要求4所述的一种信道化接收的本地本振CVQKD系统，其特征在于，所述数字信号处理模块用于采用数字补偿算法分别对两个信道的数字信号进行数字补偿，并通过频带重构算法完成量子密钥信息的解调；后处理模块对解调后的量子密钥信息进行数据协调和私密放大处理获得最终的量子密钥。
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