CN116760544B - 用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于保密通信技术领域，公开了一种用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，通过发送端随机选取少量的量子态公布给接收端作为同步帧序列，接收端利用测得的参考相位对其进行相位旋转，并根据测量基构造两组序列分别与测量序列进行互相关运算，根据得到的相关峰来完成帧同步。与现有技术相比，本发明在极低信噪比和任意相位漂移情况下均具有较高的同步成功率，能够克服本地本振光方案中收发端两个独立激光器之间的频率偏置和快速相位变化，无需额外增加调制器件，大大降低了系统的复杂度。并且，无需在量子态前插入特殊结构的帧头，能够提高量子态的占空比，同时提高了安全密钥率以及系统的安全性。

Description

用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法
技术领域
本发明涉及保密通信技术领域，特别涉及一种用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法。
背景技术
量子密钥分发可以为通信双方提供信息理论安全性，具有较大的实用化前景。相比于离散变量量子密钥分发技术，连续变量量子密钥分发能更高效的进行通信，可利用传统光通信器件实现、并融合到传统光通信体系中。在连续变量量子密钥分发过程中，从量子态接收到密钥协商，保密放大等后处理过程，需要正确的帧同步，否则难以保证获取正确密钥，因此帧同步过程极其重要。由于接收端对量子态利用本振光进行相干探测，采用接收端本地产生本振光可以解决本振光和量子态同传时存在的本振光强度衰减、光子泄露以及安全性漏洞等问题，但是由于接收端产生本地本振光的激光器与发送端产生量子态的激光器之间的相位完全随机，存在固有的频率偏置和快速的相位漂移，使得探测结果存在偏差。另外，量子态在信道中传输的过程中会存在相对缓慢的相位漂移，使得探测结果增加非线性噪声，这些都会导致帧同步难度的增加。
对于本振光与量子态同传的方案，传统解决方案是通过插入预先设置的同步帧，即在量子信号前添加一段特殊结构的帧同步信号，如专利CN112491539A 和CN115643010A，可以克服缓慢相位漂移的影响，但是需要对信号进行额外调制，增加系统的复杂度。专利CN110213034B和CN116112164B则利用传输的量子态进行帧同步，无需进行额外调制，降低了系统的复杂度，并且可以克服缓慢相位漂移的影响。然而本振光在接收端本地产生的方案中存在固有的频率偏置和快速的相位漂移，使得收发数据之间的相关性大幅度降低，因此这些方案均不适用。针对本地本振光方案，专利CN113660075A公开了一种基于恒包络零自相关序列的帧同步方案，可以有效克服两个独立激光器之间的快速相位漂移和频率偏置，然而该方案仍需额外调制特殊结构的同步帧并插入到量子态数据之前，增加了系统的复杂度。另外，该方案用导频信号相位信息对接收帧进行相位恢复，这要求接收端需要同时测量X分量和P分量，即接收端需要对量子态信号进行外差探测，因此不适用于零差探测的方案。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，包括如下步骤：
步骤S1：发送端使用一个激光器制备参考脉冲序列和连续变量量子态序列，通过预定的复用方式将参考脉冲序列间隔地插入到量子态序列中，得到信号序列并通过量子信道发送给接收端；
步骤S2：接收端将接收到的信号序列解复用后得到参考脉冲序列和量子态序列，通过一个激光器产生的两路本地本振光，一路本地本振光对量子态序列随机选择测量基进行零差探测后得到探测序列和测量基序列/>，另一路本地本振光对参考脉冲序列进行外差探测得到参考相位探测序列/>，并得到参考相位序列/>；
步骤S3：发送端随机选取预定长度的量子态序列作为同步序列，并通过经典信道公布给接收端；
步骤S4：接收端从其探测序列、相应的测量基序列/>和参考相位序列/>的第i位开始各选取L个元素，分别记为/>、/>和/>，其用参考相位序列/>对同步序列进行相位旋转，得到修正同步序列/>；并根据/>和/>构造两组互补的序列/>；
步骤S5：接收端将步骤S4构造的两组互补的序列分别与/>进行相关运算得到两个运算结果，并取二者绝对值的最大值；
步骤S6：接收端将、/>和/>向后逐位移动，重复步骤S4和步骤S5，得到包含噪底和峰值的相关结果序列，将相关结果序列的峰值与预定阈值进行比较，当超过预定阈值时判定完成帧同步，使收发数据对齐。
优选地，所述步骤S1中的量子态序列为均值为0，方差相等的高斯随机变量。
优选地，所述步骤S1中的参考脉冲序列每个脉冲平均包含1000个光子。
优选地，所述步骤S1中预定的复用方式为偏振、时间复用。
优选地，所述步骤S5中相关运算为两组互补的序列与/>进行数学上的互相关运算。
优选地，所述步骤S4中构造的两组互补的序列分别为和/>。
优选地，所述步骤S6中的预定阈值为相关结果序列噪底的3倍标准差。
优选地，所述L取2的11次方。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出一种用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，发送端随机选取少量的量子态公布给接收端作为同步帧序列，接收端利用测得的参考相位对其进行相位旋转，并根据测量基构造两组序列分别与测量序列进行互相关运算，即可根据得到的相关峰来完成帧同步，在极低信噪比和任意相位漂移情况下均具有较高的同步成功率，能够克服本地本振光方案中收发端两个独立激光器之间的频率偏置和快速相位变化，无需额外增加调制器件，大大降低了系统的复杂度。并且，无需在量子态前插入特殊结构的帧头，能够提高量子态的占空比，同时提高系统的安全性，发送端所公布的量子态测量结果也可用于后续的信道参数估计，可进一步提高系统的安全密钥率。
附图说明
图1为本发明用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法原理图；
图2为本发明不同的同步序列长度下同步成功率随相位估计噪声Vφ变化曲线图；
图3为本发明不同的同步序列长度下同步成功率随信噪比SNR变化曲线图；
图4为本发明不同的同步序列长度下同步成功率随相位漂移角度ϕ变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，包括如下步骤：
步骤S1：发送端使用一个激光器制备参考脉冲序列和连续变量量子态序列，通过预定的复用方式将参考脉冲序列间隔地插入到量子态序列中，得到信号序列并通过量子信道发送给接收端；
步骤S2：接收端将接收到的信号序列解复用后得到参考脉冲序列和量子态序列，通过一个激光器产生的两路本地本振光，一路本地本振光对量子态序列随机选择测量基进行零差探测后得到探测序列和测量基序列/>，另一路本地本振光对参考脉冲序列进行外差探测得到参考相位探测序列/>，并得到参考相位序列/>；
步骤S3：发送端随机选取预定长度的量子态序列作为同步序列，并通过经典信道公布给接收端；
步骤S4：接收端从其探测序列、相应的测量基序列/>和参考相位序列/>的第i位开始各选取L个元素，分别记为/>、 />和 />，其用参考相位序列/>对同步序列进行相位旋转，得到修正同步序列/>；并根据/>和 />构造两组互补的序列/>；所述互补是指一个序列中某一位为X分量时，其互补序列相应位置为P分量；
步骤S5：接收端将步骤S4构造的两组互补的序列分别与/>进行相关运算得到两个运算结果，并取二者绝对值的最大值；
步骤S6：接收端将、 />和 />向后逐位移动，重复步骤S4和步骤S5，得到包含噪底和峰值的相关结果序列，将相关结果序列的峰值与预定阈值进行比较，当超过预定阈值时判定完成帧同步，使收发数据对齐。
所述步骤S1中的量子态序列为均值为0，方差相等的高斯随机变量。
所述步骤S1中的参考脉冲序列每个脉冲平均包含1000个光子。
所述步骤S1中预定的复用方式为偏振、时间复用。
所述步骤S5中相关运算为两组互补的序列与/>进行数学上的互相关运算。
所述步骤S4中构造的两组互补的序列分别为和。
具体工作原理如下：
如图1所示，在发送端，激光器产生连续光经过斩波后变为周期为2T的脉冲光，使用分束器分成强度不等的两个光脉冲，一般分束器的分束比为1:99，幅度较小的光脉冲通过量子态调制和衰减得到一系列量子态和相应的量子态序列；幅度较大的光脉冲作为相位参考脉冲序列，不进行幅度调制。随后量子态和相位参考脉冲经过复用后进入量子信道，为了得到更好的效果，可采用偏振-时间复用的方式，即量子态脉冲和参考脉冲的偏振态相互垂直，二者间隔分布，每个量子态脉冲与相邻的两个参考脉冲之间的时间差均为T。
量子态和参考脉冲经过量子信道传输到接收端，首先需要经过偏振补偿来恢复二者的偏振态，随后进行偏振-时间解复用得到接收的量子态序列和参考脉冲序列。接收端使用独立的激光器产生两路幅度相等的本振光，分别对量子态脉冲进行零差探测、对参考脉冲进行外差探测。其中，接收端需要产生随机的0、1比特的测量基序列进行测量基选择，0或1比特分别对应选择测量量子态的X分量或P分量，得到探测序列/>可写为
，
其中，η为光信号传输探测的总效率，为量子态与相应本振光的相对相位，为0均值的高斯噪声。对参考脉冲进行外差探测得到参考相位探测序列/>，计算出参考相位序列/>。
发送端随机选取长度为L的量子态序列的X分量值和P分量值分别作为同步序列，并通过经典信道公布给发送端。
接收端从参考相位序列的第i位开始选取L个元素，得到序列/>，根据该序列中的每个元素来对同步序列/>的每个元素进行相位旋转，得到修正后的同步序列：
随后从测量基序列的第i位开始选取L个元素，得到序列/>，并根据构造两个新的同步序列/>和。接着再从探测序列/>的第i位开始选取L个元素，得到/>，并将其分别与序列/>进行相关运算，得到两个互相关运算结果。
然后接收端进行移位操作，即分别从序列、 />、 />的第i+1位开始选取L个元素，得到相应的序列/>、 />、 />，并根据/>的每个元素来对同步序列/>的每个元素进行相位旋转，得到修正后的同步序列/>，以及结合/>构造两个序列/>，分别与/>进行互相关运算。接收端重复此操作，得到两组互相关运算结果序列，二者中至少有一个包含有明显的峰值，其余均为期望为0的噪底。
当收发数据未同步时，即移位过程中处于互相关运算结果序列的噪底，由于不同量子态是相互无关的，他们之间的互相关为0，可用协方差来表示互相关
，
当收发数据同步时，即移位得到互相关运算结果序列的峰值，互相关为
，
其中，为 />的方差；/>为缓慢相位漂移；/>为相位估计误差，其符合均值为0，方差为/>的高斯分布。可以看出，当同步成功时两个互相关运算结果总有一个不为0，取二者绝对值的最大值即可得到一个在任意相位漂移下都不为0的峰值。另外，当参考脉冲的平均光子数不小于1000时，相位估计误差较小，在0.1以下，此时峰值仅下降为无相位估计误差时的95%。
接收端设置一个阈值，将得到的两个互相关运算结果序列的峰值的绝对值进行比较，取较大的那个记为/>，将其与设定的阈值/>进行比较，当大于阈值时判定同步成功，否则同步失败。同步成功的概率为
，
其中，满足方差为/>的高斯分布。互相关结果的噪底记为/>，符合均值为0、方差为/>的高斯分布。通过推导可知
，
如果设定阈值为相关结果序列噪底的3倍标准差，即，可得同步成功的置信度为99.9%，即判定同步成功而实际未同步成功的概率为0.1%。
如图2所示，当相位漂移为0、信噪比为-15dB时，系统同步成功的概率随着相位估计噪声的增大而减小，也就是说相位估计的越准确，同步成功概率越大。当增加同步序列的长度L时，可以显著增加同步成功率，但是当L从2的10次方增加到2的11次方时，成功率接近100%，并且相位估计噪声对成功率的影响可以忽略。由此可以说明，在较低的信噪比情况下，选取合适的同步帧长度，几乎可以消除相位估计噪声对成功率的影响。
如图3所示，当相位漂移为0、相位估计噪声为0.05时，系统同步成功的概率随着信噪比的降低而减小。在同一信噪比SNR下选取的同步序列长度L越长，系统同步成功的概率越高。当同步序列长度为2的11次方，信噪比SNR=-20dB时系统仍有90%以上的概率同步成果，表明本方法可以容忍极低的信噪比。
如图4所示，当固定信噪比SNR=-15dB、相位估计噪声为0.05时，系统同步成功的概率随着相位漂移角度的变化而变化，当相位漂移角度为π/4的整数倍时同步成功概率最低。但是当增大同步序列长度L时，系统同步成功的概率升高，且相位漂移的影响越来越小，当同步序列长度为2的11次方，系统同步成功的概率几乎一直接近100%，而不受相位漂移的影响，表明本方法可以在任意相位漂移情况下正常工作。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，发送端随机选取少量的量子态公布给接收端作为同步帧序列，接收端利用测得的参考相位对其进行相位旋转，并根据测量基构造两组序列分别与测量序列进行互相关运算，即可根据得到的相关峰来完成帧同步，在极低信噪比和任意相位漂移情况下均具有较高的同步成功率，能够克服本地本振光方案中收发端两个独立激光器之间的频率偏置和快速相位变化，无需额外增加调制器件，大大降低了系统的复杂度。并且，无需在量子态前插入特殊结构的帧头，能够提高量子态的占空比，同时提高系统的安全性，发送端所公布的量子态测量结果也可用于后续的信道参数估计，可进一步提高系统的安全密钥率。

Claims (8)

1.一种用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：发送端使用一个激光器制备参考脉冲序列和连续变量量子态序列，通过预定的复用方式将参考脉冲序列间隔地插入到量子态序列中，得到信号序列并通过量子信道发送给接收端；
步骤S2：接收端将接收到的信号序列解复用后得到参考脉冲序列和量子态序列，通过一个激光器产生的两路本地本振光，一路本地本振光对量子态序列随机选择测量基进行零差探测后得到探测序列和测量基序列/>，另一路本地本振光对参考脉冲序列进行外差探测得到参考相位探测序列/>，并得到参考相位序列/>；
步骤S3：发送端随机选取预定长度的量子态序列作为同步序列，并通过经典信道公布给接收端；
步骤S4：接收端从其探测序列、相应的测量基序列/>和参考相位序列/>的第i位开始各选取L个元素，分别记为/>、/>和/>，其用参考相位序列/>对同步序列/>进行相位旋转，得到修正同步序列/>；并根据/>和/>构造两组互补的序列；
步骤S5：接收端将步骤S4构造的两组互补的序列分别与/>进行相关运算得到两个运算结果，并取二者绝对值的最大值；
步骤S6：接收端将、/>和/>向后逐位移动，重复步骤S4和步骤S5，得到包含噪底和峰值的相关结果序列，将相关结果序列的峰值与预定阈值进行比较，当超过预定阈值时判定完成帧同步，使收发数据对齐。
2.根据权利要求1所述的用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤S1中的量子态序列为均值为0，方差相等的高斯随机变量。
3.根据权利要求1或2所述的用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤S1中的参考脉冲序列每个脉冲平均包含1000个光子。
4.根据权利要求1或2所述的用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤S1中预定的复用方式为偏振、时间复用。
5.根据权利要求1或2所述的用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤S5中相关运算为两组互补的序列与/>进行数学上的互相关运算。
6.根据权利要求1或2所述的用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤S4中构造的两组互补的序列分别为和/>。
7.根据权利要求6所述的用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述步骤S6中的预定阈值为相关结果序列噪底的3倍标准差。
8.根据权利要求7所述的用于本地本振光连续变量量子密钥分发系统的帧同步方法，其特征在于，所述L取2的11次方。
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