CN114285567A - 消除qkd诱骗态光谱侧信道可分辨性的方法及其发送端 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的方法及其发送端，分别在信号态和诱骗态脉冲前后对应着调制电压上升沿和下降沿的位置上产生随机噪声光，可从根本上消除因激光器的开关消光比不足、强度调制器的消光比不足、以及调制电压幅度不同而在诱骗态光谱侧信道空间可能产生的可分辨性，进而增强QKD的实际安全性。
Description
技术领域
本发明属于量子保密通信技术领域，具体涉及一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的方法及其发送端。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)与经典密钥体系的根本不同在于其采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，它在原理上可以为用户提供无条件安全的保密通信，由量子力学基本原理(海森堡测不准原理、测量塌缩理论和量子不可克隆定理等)保证了其安全性。由于目前尚没有可实用化的理想单光子源，可采用诱骗态方法随机地将脉冲调制成不同强度的弱相干态(信号态和诱骗态)，让许多基于实际非理想单光子源构成的QKD系统的安全性与理想单光子源构成的QKD系统相当。经过近十几年的发展，基于诱骗态方法的QKD系统已经开始迈向商品化发展的阶段。然而，现有的诱骗态方法的安全性理论并未完整纳入各类不完美的侧信道，例如多种强度脉冲在时域和频域等维度的不完美性使得不同强度的光在这些侧信道维度可能具有一定的可分辨性。因此，在实际系统中采取必要措施，增强不同强度的光在侧信道空间的不可分辨性，对增强QKD的实际安全性具有重要意义。
目前很多诱骗态QKD发送端的基本原理和架构都可用如图1进行说明。首先，发送端的脉冲激光器PL发射出一定重复频率且强度相同的相干态光脉冲，如图2所示，这些脉冲可由连续激光器直接控制开关电流的内调制而得到；也可以通过连续激光器外接强度调制器的外调制而得到。然后，脉冲经强度调制器IM1被随机地调制成信号态和诱骗态(不同强度的脉冲)，如图3所示。然后，该脉冲经编码器Encoder后被施加编码信息。接着，该脉冲经过偏振控制器PC1被进行偏振补偿。接着，该脉冲经过衰减器ATT1被衰减至单光子能量水平。最后，该脉冲经Alice的出口IO，进入量子信道、到达接收端并被探测。
上述采用强度调制器IM的诱骗态调制原理可用图3进行说明，当对IM施加不同幅度的调制电压时，IM的通光率不一样。例如调制三强度诱骗态时，可选择三种幅度的电压将脉冲随机调制成信号态、诱骗态1和诱骗态2，对应的调制电压分别为信号态电压VS、诱骗态1电压VD1和诱骗态2电压VD2，对应的脉冲强度分别为信号态强度IS、诱骗态1强度ID1和诱骗态2强度ID2。由于实际对IM施加的电压具有一定的上升沿时间(图3中t2-t1、t6-t5、t10-t9)和下降沿时间(图3中t4-t3、t8-t7、t12-t11)，施加不同幅度的电压会导致电压上升沿或下降沿速率的不同(对应图3中上升沿或下降沿斜率的不同)，若这些上升沿和下降沿的位置上具有光强，最终会导致速率不同位置上的调制光谱可能会存在可分辨性的差异。目前理论上已经证明了在相同幅度的电压下，不同上升沿时间会导致调制光中心频率存在不同程度的频移，如图4所示。遗憾的是，由于目前脉冲激光器PL的内调制开关的消光比和强度调制器IM的消光比有限，使得脉冲间的光强大于零(图2和图3中的IE>0)，即上升沿和下降沿的位置也具有一定的光强。因此，在QKD进行诱骗态调制时，这几种强度脉冲前后位置上(上述上升沿和下降沿位置)的光谱可能会存在可分辨性的差异，即可能会存在可分辨的侧信道，对QKD的实际安全性产生一定的影响。
为了增强诱骗态光谱侧信道空间的不可分辨性而增强QKD的实际安全性，可以通过提高脉冲激光器PL的开关消光比和强度调制器IM的消光比，尽量降低脉冲间的光强。但由于目前PL和IM制作工艺的问题，消光比不可能做到无限高，因此上述方法只是在尽量降低器件的不完美，都不能从根本上解决该问题。
发明内容
本发明提出了一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的方法及其发送端，通过在各相干态脉冲前后特定的位置上分别产生随机噪声光，可从根本上消除因激光器的开关消光比不足、强度调制器的消光比不足、以及调制电压幅度不同而在诱骗态光谱侧信道空间可能产生的可分辨性，进而增强QKD的实际安全性。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的方法及其发送端，包括以下步骤：分别在信号态和诱骗态脉冲前后对应着调制电压上升沿和下降沿的位置上产生随机噪声光。
作为可选择的实施方式，所述噪声光由调制强度调制器的电压，产生随机噪声电压，并对强度调制器IM调制得到。
作为可选择的实施方式，所述噪声光由外接噪声激光光路，注入随机噪声光得到。
一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的发送端，包括依次连接的脉冲激光器、第一强度调制器、编码器、第一偏振控制器和第一衰减器，如图1所示。所述第一强度调制器的调制电压信号源在上升沿和下降沿的位置上分别施加随机噪声电压，对第一强度调制器调制出随机噪声光，如图5所示。
一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的发送端，包括两个光路，第一光路包括依次连接的脉冲激光器、第一强度调制器、编码器、第一偏振控制器和第一衰减器；
在所述第一光路中设置第二光路，通过分束器进行连接，用于在信号态和诱骗态脉冲前后对应着调制电压上升沿和下降沿的位置上注入随机噪声光。其中一个实施例如图6所示，在第一强度调制器之后设置第二光路，通过分束器连接，其它实施例可以在第一光路的其它器件之后通过分束器连接。
作为可选择的实施方式，所述第二光路包括依次连接的激光器、第二强度调制器、第二偏振控制器和第二衰减器。
作为进一步限定的实施方式，所述第二光路的激光器在信号态和诱骗态脉冲等其它位置上处于关闭状态。
作为进一步限定的实施方式，所述第二强度调制器在信号态和诱骗态脉冲等其它位置上处于消光状态。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明在诱骗态QKD发送端中，采用直接调制IM的电压，分别在信号态和诱骗态脉冲的调制电压上升沿和下降沿的位置上产生随机噪声电压，并对IM调制出随机噪声光，可消除因激光器的开关消光比不足、强度调制器的消光比不足、以及调制电压幅度不同而在诱骗态光谱侧信道空间可能产生的可分辨性，进而增强QKD的实际安全性。
本发明在诱骗态QKD发送端中，采用噪声激光注入的形式，分别在信号态和诱骗态脉冲前后对应着调制电压上升沿和下降沿的位置上注入随机噪声光，可消除因激光器的开关消光比不足、强度调制器的消光比不足、以及调制电压幅度不同而在诱骗态光谱侧信道空间可能产生的可分辨性，进而增强QKD的实际安全性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为诱骗态QKD发送端的基本原理和架构示意图；
图2为脉冲激光器发出的脉冲示意图；
图3为IM调制诱骗态的原理图；
图4为相同幅度电压下，调制光中心频率频移量与上升沿时间的理论关系图；
图5为本发明至少一个实施例的通过调制随机噪声电压的方式消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的示意图；
图6为本发明至少一个实施例的通过注入噪声激光的方式消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一：
在图1所示的现有诱骗态QKD发送端基本架构下，直接调制IM1的电压，分别在信号态和诱骗态脉冲的调制电压上升沿和下降沿的位置上产生随机噪声电压，并对IM调制出随机噪声光，如图5所示。
实施例二：
发送端进行结构改进，采用一个噪声激光器，分别在信号态和诱骗态脉冲前后对应着调制电压上升沿和下降沿的位置上注入随机噪声光。
如图6所示，激光器LD是个噪声激光器，LD发出的噪声激光信号经IM2可被调制成不同的强度，要求在在信号态和诱骗态脉冲前后对应着调制电压上升沿和下降沿的位置上调制出一定平均强度的随机噪声光，而在信号态和诱骗态脉冲等其它位置上使噪声激光器LD和IM2处于关闭状态或且消光状态，保证这些位置上基本无光或远低于IE的光进入量子信道和接收端。
通过这两个实施例提供的方案的实施，可从根本上消除因激光器的开关消光比不足、强度调制器的消光比不足、以及调制电压幅度不同而在诱骗态光谱侧信道空间可能产生的可分辨性，进而增强QKD的实际安全性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的方法，其特征是：包括以下步骤：分别在信号态和诱骗态脉冲前后对应着调制电压上升沿和下降沿的位置上产生随机噪声光。
2.如权利要求1所述的一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的方法，其特征是：所述噪声光由调制强度调制器的电压，产生随机噪声电压，并对IM调制得到。
3.如权利要求1所述的一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的方法，其特征是：所述噪声光由外接噪声激光光路，注入随机噪声光得到。
4.一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的发送端，包括依次连接的脉冲激光器、第一强度调制器、编码器、第一偏振控制器和第一衰减器，其特征是：所述第一强度调制器的电压信号源在上升沿和下降沿的位置上分别施加随机噪声电压，对第一强度调制器调制出随机噪声光。
5.一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性发送端，包括两个光路，第一光路包括依次连接的脉冲激光器、第一强度调制器、编码器、第一偏振控制器和第一衰减器；
其特征是：在所述第一光路中设置的第二光路，与第一光路通过分束器相连，用于在信号态和诱骗态脉冲前后对应着调制电压上升沿和下降沿的位置上注入随机噪声光。
6.如权利要求5所述的一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的发送端，其特征是：所述第二光路包括依次连接的激光器、第二强度调制器、第二偏振控制器和第二衰减器。
7.如权利要求5所述的一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的发送端，其特征是：所述第二光路，在第一光路中任一器件之后，通过分束器进行相连。
8.如权利要求6所述的一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的发送端，其特征是：所述第二光路的激光器在信号态和诱骗态脉冲等其它位置上处于关闭状态。
9.如权利要求6所述的一种消除QKD诱骗态光谱侧信道可分辨性的发送端，其特征是：所述第二强度调制器在信号态和诱骗态脉冲等其它位置上处于消光状态。
10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-3中任一项所述的方法的步骤。
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