CN114401083B - 一种散粒噪声实时监控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种散粒噪声实时监控方法，在基于相干态协议的随路本振CVQKD系统中实现，发送端在N个相干态脉冲信号中随机选择M个进行强衰减处理，在接收端提取这M个信号与本振光干涉的零差探测结果，通过统计计算得到零差探测结果的统计方差，并采用相同的计算方法得到零差探测器在无光信号输入时的电噪声方差，由统计方差减去电噪声方差得到散粒噪声方差，作为该段通信时间内系统参数的归一化因子。本发明提出的方案可依据系统实际运行状态调整随机强衰减脉冲的位置、样本点个数，以提升系统稳定性及安全性；对散粒噪声校准序列和通信信号序列的配比调整更灵活；该方法可支持的系统工作重复频率高；可在现有系统中直接应用，实现难度低。

Description

一种散粒噪声实时监控方法
技术领域
本发明涉及密码领域，特别涉及一种散粒噪声实时监控方法。
背景技术
在连续变量量子密钥分发系统(Continuous variable quantum keydistribution,CVQKD)中常采用标准相干探测技术，同时依据协议要求提取量子态信号分量的不同，探测方案又可分为零差探测和外差探测。本振光作为相干探测所需相位参考的经典信号，在随路本振CVQKD系统发送端是随量子态信号一起耦合进光纤信道的。
在CVQKD系统的相干态协议设计和安全性证明时，没有将本振光考虑在内，默认窃听者无法控制本振光。然而在实际应用中，本振光是经典强光信号，不可克隆定理不再适用，也就无法验证其安全性。同时系统的安全码率计算需要用散粒噪声进行归一化，而散粒噪声的提取依赖于本振光强度和探测器性能，因此如何准确的实时准确标定散粒噪声是决定系统性能和安全性的关键问题。
现有散粒噪声标定方法按照是否在系统运行时实时提取可以分为两类，一类是在系统运行之前，在一个安全的实验条件下，用本振光和真空态进行零差探测，校准本振光功率和散粒噪声方差关系曲线，获得不同本振光功率下的散粒噪声方差，在系统运行时用本振光监测功率对应的散粒噪声方差作为系统参数进行归一化计算安全码率；另一类是在系统运行中，在接收端内部分时控制信号光的通断，信号光断开时，提取散粒噪声，信号光接入时，提取有效信号探测结果。然而这两类方案都存在一定缺陷：在第一类方案中，从安全性出发，并不能完全信任输入进接收端的监测功率，窃听者可以很容易地在信道中加入另一个噪声信号(如一个不同波长的经典信号)使监测到的本振光功率与实际不符；第二类方案中，接收端控制信号光通断的切换速度受到控制器件的限制，切换速度和信号光损失无法兼顾，创新地额外添加平衡探测器的方案又极大地增加了系统复杂度。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种散粒噪声实时监控方法，在基于相干态协议的随路本振CVQKD系统中实现，在发送端内部利用振幅调制器对相干态脉冲信号光进行随机强衰减，并在接收端对应时刻进行探测结果采集以提取实时散粒噪声，并计算方差值以作为系统参数的归一化因子进行安全码率计算。
本发明采用的技术方案如下：一种散粒噪声实时监控方法，在基于相干态协议的随路本振CVQKD系统中实现，在一段通信时间内，包括N个相干态脉冲信号，发送端在N个相干态脉冲信号中随机选择M个进行强衰减处理，在接收端提取这M个信号与本振光干涉的零差探测结果，通过统计计算得到零差探测结果的统计方差，并采用相同的计算方法得到零差探测器在无光信号输入时的电噪声方差，由统计方差减去电噪声方差得到散粒噪声方差，作为该段通行时间内系统参数的归一化因子。
进一步的，所述强衰减处理过程为：
对N个相干态脉冲信号进行编号；
生成长度为N且由0和1组成的随机比特序列，将随机比特序列与N个相干脉冲信号按顺序进行一一对应，选择与序列中值为1或0其中一种所对应的编号脉冲信号进行强衰减处理。
进一步的，通过在振幅调制器中加载衰减电压信号实现对相干态脉冲的强衰减处理。
进一步的，所述随机比特序列为软件产生的伪随机序列或量子真随机数发生器产生的真随机序列。
进一步的，所述振幅调制器为系统进行高斯调制的调制器或独立于高斯调制的单独调制器或包含衰减器的多器件组合调制器。
进一步的，振幅调制器调制带宽不低于随路本振CVQKD系统工作的重复频率。
进一步的，所述相干态脉冲信号包含外调制连续激光器和内调制脉冲激光器产生的光脉冲信号。
进一步的，所述M个被强衰减处理的相干态脉冲信号的编号能够通过经典信道发送给接收端。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
1.无需在接收端信号光支路内部额外添加调制器，不对信号光引入额外衰减，对接收端探测效率影响小。
2.可依据系统实际运行状态调整随机强衰减脉冲的位置、样本点个数，以提升系统稳定性及安全性。
3.对散粒噪声校准序列和通信信号序列的配比调整更灵活，可依据系统实时状态进行优化。
4.发送端进行随机强衰减的振幅调制器带宽高，该方法可支持的系统工作重复频率高。
5.可在现有系统中直接应用，无需额外设计系统物理架构，实现难度低。
附图说明
图1为本发明一实施例中基于相干态协议的随路本振CVQKD系统的散粒噪声实时监控示意图。
图2为本发明一实施例中进行经强衰减处理的相干态脉冲信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明提出了一种散粒噪声实时监控方法，在基于相干态协议的随路本振CVQKD系统中实现，在一段通信时间内，包括N个相干态脉冲信号，发送端在N个相干态脉冲信号中随机选择M个进行强衰减处理，在接收端提取这M个信号与本振光干涉的零差探测结果，通过统计计算得到零差探测结果的统计方差，并采用相同的计算方法得到零差探测器在无光信号输入时的电噪声方差，由统计方差减去电噪声方差得到散粒噪声方差，作为该段通行时间内系统参数的归一化因子。其中，统计方差由数据统计软件或工具计算得到。如图2所示,N2、N5、N10、N11、N13脉冲表示强衰减，其余脉冲表示常规高斯调制。
在本实施例中，相干态脉冲个数N和被强衰减的相干态脉冲个数M，均与系统重复频率、系统参数估计用的数据量相关，可依据系统实际运行时的性能调整比例。相干态脉冲信号包含外调制连续激光器和内调制脉冲激光器产生的光脉冲信号。
其中，被强衰减处理的M个相干态脉冲，可以在T时间内，连续长时间分布，也可以独立分散分布，也可以与N-M个信号脉冲成一定比例规律分布。
具体的，强衰减处理过程为：
对N个相干态脉冲信号进行编号；
生成长度为N且由0和1组成的随机比特序列，将随机比特序列与N个相干脉冲信号按顺序进行一一对应，选择与序列中值为1或0其中一种所对应的编号脉冲信号进行强衰减处理。在另一个实施例中，可以选择编码对应或其他可以实现随机选择的方法进行衰减信号的选取。
其中，随机比特序列的产生方式可以是软件产生的伪随机序列，也可以是量子真随机数发生器产生的真随机数序列。
在本实施例中，通过在振幅调制器中加载衰减电压信号实现对相干态脉冲的强衰减处理。
其中，所述振幅调制器为系统进行高斯调制的调制器或独立于高斯调制的单独调制器或包含衰减器的多器件组合调制器。
需要说明的是，振幅调制器调制带宽不低于随路本振CVQKD系统工作的重复频率。
在本实施例中，所述M个被强衰减处理的相干态脉冲信号的编号能够通过经典信道发送给接收端。
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 (8)

1.一种散粒噪声实时监控方法，在基于相干态协议的随路本振CVQKD系统中实现，其特征在于，在一段通信时间内，包括N个相干态脉冲信号，发送端在N个相干态脉冲信号中随机选择M个进行强衰减处理，在接收端提取这M个信号与本振光干涉的零差探测结果，通过统计计算得到零差探测结果的统计方差，并采用相同的计算方法得到零差探测器在无光信号输入时的电噪声方差，由统计方差减去电噪声方差得到散粒噪声方差，作为该段通信时间内系统参数的归一化因子。
2.根据权利要求1所述的散粒噪声实时监控方法，其特征在于，所述强衰减处理过程为：
对N个相干态脉冲信号进行编号；
生成长度为N且由0和1组成的随机比特序列，将随机比特序列与N个相干脉冲信号按顺序进行一一对应，选择与序列中值为1或0其中一种所对应的编号脉冲信号进行强衰减处理。
3.根据权利要求2所述的散粒噪声实时监控方法，其特征在于，通过在振幅调制器中加载衰减电压信号实现对相干态脉冲的强衰减处理。
4.根据权利要求2所述的散粒噪声实时监控方法，其特征在于，所述随机比特序列为软件产生的伪随机序列或量子真随机数发生器产生的真随机序列。
5.根据权利要求3所述的散粒噪声实时监控方法，其特征在于，所述振幅调制器为系统进行高斯调制的调制器或独立于高斯调制的单独调制器或包含衰减器的多器件组合调制器。
6.根据权利要求3或5所述的散粒噪声实时监控方法，其特征在于，振幅调制器调制带宽不低于随路本振CVQKD系统工作的重复频率。
7.根据权利要求1所述的散粒噪声实时监控方法，其特征在于，所述相干态脉冲信号包含外调制连续激光器和内调制脉冲激光器产生的光脉冲信号。
8.根据权利要求1所述的散粒噪声实时监控方法，其特征在于，所述M个被强衰减处理的相干态脉冲信号的编号能够通过经典信道发送给接收端。
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