CN117834127A - 一种基于dmpm的cv-mdi-qkd系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DMPM的CV‑MDI‑QKD系统及方法，属于量子通信技术领域。所述系统包括n个ALICE发送方、n个BOB发送方和接收方Charlie；本发明将密钥信息编码到一些离散且匹配的特定阶段，再由接收方Charlie公开宣布同差检测结果，使得ALICE发送方和BOB发送方之间可以建立相关性，有效了降低RDE，弱化了信道过量噪声对密钥速率的影响；在理想的不对称的情况下，本发明能在目前低效率检测的情况下实现安全的密钥分发，对抗典型的、强大的非高斯个体攻击可达到离散编码量子态辨别的量子极限；对于对称情况，本发明可优化振幅和阈值，以最大限度来提高密钥生成率和安全传输距离。

Description

一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统及方法
技术领域
本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统及方法。
背景技术
信息安全为现代社会健康发展的有力保障，随着经济社会的持续发展，科技水平在不断进步，人们对于通信安全的要求也会越来越高。量子通信的安全性主要由量子力学基本原理保证，量子保密通信利用“一次一密”加密体制能实现通信理论上无条件安全的保密通信。
量子密钥分发主要分为离散变量量子密钥分发(Discrete-variable QuantumKey Distribution,DV-QKD)和连续变量量子密钥分发(Continuous-variable QuantumKey Distribution,CV-QKD)；连续变量量子密钥分发将密钥信息编码在量子光场的正交分量上，利用零差探测器进行量子态测量，成本低、探测效率高，与现有的光纤网络能够更好地融合，同时连续变量量子密钥分发对量子通道中的各种噪声光子具有鲁棒性。
连续可变量子密钥分发允许两个远程认证用户(Alice和Bob)通过不可信的量子通道和认证的经典通道，通过相干检测建立安全密钥。其中，密钥始终由Alice对相干态量子化电磁场的正交值和正交选择进行编码，而由Bob的零差探测可协同后处理的程序进行提取。CV-QKD协议具有传输容量大、硬件实现简单、与已部署的经典光通信系统有效兼容等固有特点。此外，CV-QKD的理想实现几乎可以近似于无中继量子通信的密钥容量的极限。由于CV-QKD协议的理论安全证明中的理想假设在实际实现中可能会受到损害，窃听者可以利用实现不完善所产生的安全漏洞来获取关键信息。
为了提高性能，目前正致力于开发参数估计、采用光子减法、非高斯后选择、离散调制等；最近，优化通信策略的概念在非高斯噪声信道中也被提出。即便如此，实际实现仍然是一个具有挑战性的问题，即使针对单个攻击，仍然需要极高效率的零差检测。迄今为止，唯一被实验证实的一种连续变量测量设备无关量子密钥分发系统(ContinuousVariable Measurement Device Independent Quantum Key Distribution，CV-MDI-QKD)是基于自由空间传输和先进的检测技术，效率约为98％。实际上，基于光纤的零差检测在电信波长的总体效率约为60％。
现有连续可变量子密钥分发方法允许两个远程认证用户(Alice和Bob)通过不可信的量子通道和认证的经典通道，通过相干检测建立安全密钥，其理想实现可以近似接近于无中继量子通信密钥容量的极限，但目前提出的理想假设到实现还存在困难，如现有技术CN201810512409.X中也提及了第三方窃听者容易利用其不完善产生的安全漏洞获取关键信息。
针对接收方测量端的实际安全漏洞提出高斯调制相干态(Gaussian-modulatedcoherent-state,GMCS)连续变量测量设备无关量子密钥分发方法能有效抵御边信道攻击，但是GMCS CV-MDI-QKD的理论性能、密钥生成率、安全传输距离会由于诱导的高等效过量噪声受到限制；目前致力于开发参数估计、采用光子减法、采用非高斯后选择、优化通信策略的概念被提出，然而其实际实现也具有困难，即使是针对单个攻击仍然需要极高效率的零差检测。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统及方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题，本发明中的密钥编码基于离散分布匹配的特定相位选择，而不是直接将信息编码在连续分布的正交值上进行进一步判断，有效降低了所需检测效率，有利于弱化信道过量噪声对密钥速率的影响。
本发明的技术方案是这样实现的：一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，包括用户发送端和用户接收端，所述用户发送端和用户接收端通过公共信道和量子信道连接；
所述用户发送端包括n个ALICE发送方和n个BOB发送方，n为正整数；其中，n个ALICE发送方分别为第一ALICE发送方ALICE1、第二ALICE发送方ALICE2、……、第n ALICE发送方ALICE n；n个BOB发送方分别为第一BOB发送方BOB1、第二BOB发送方BOB2、……、第nBOB发送方BOB n；各所述ALICE发送方和各BOB发送方均同时独立制备相干态；
所述用户接收端包括接收方Charlie；所述用户发送端还包括顺次连接的第一稳频激光器L1和第一分束器BS1；
所述第一稳频激光器L1发射出激光，激光经第一分束器BS1分为两束光信号，一束光信号发送至n个ALICE发送方制备第一相干态光信号，所述第一相干态光信号通过量子信道发送至所述接收方Charlie；另一束光信号发送至n个BOB发送方制备第二相干态光信号，所述第二相干态光信号通过量子信道发送至所述接收方Charlie；所述第一相干态光信号与第二相干态光信号在所述接收方Charlie发生干涉得到第一干涉光信号；所述接收方Charlie探测第一干涉光信号的量子态，并在公共信道中公布测量结果；所述量子态包括所述相干态。
进一步地，所述接收方Charlie包括第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2和第二分束器BS2；所述第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2分别与第二分束器BS2连接；
所述第一相干态光信号经第一偏振控制器PC1发送至第二分束器BS2；所述第二相干态光信号经第二偏振控制器PC2发送至第二分束器BS2；所述第一相干态光信号与第二相干态光信号在第二分束器BS2发生干涉得到第一干涉光信号；
所述第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2用于调节保持第一相干态光信号与第二相干态光信号的偏振方向一致。
更进一步地，所述用户发送端还包括第一波分复用器DWDM1、第二波分复用器DWDM2、第三波分复用器DWDM3和第四波分复用器DWDM4；
n个ALICE发送方通过第一波分复用器DWDM1与第一分束器BS1连接，n个BOB发送方通过第三波分复用器DWDM3与第一分束器BS1连接；
所述第一偏振控制器PC1通过第二波分复用器DWDM2与n个ALICE发送方连接；所述第二偏振控制器PC2通过第四波分复用器DWDM4与n个BOB发送方连接；
所述第二波分复用器DWDM2通过量子信道与第一偏振控制器PC1的输入端连接；所述第四波分复用器DWDM4通过量子信道与第二偏振控制器PC2的输入端连接；
所述第一相干态光信号经第二波分复用器DWDM2发送至第一偏振控制器PC1；所述第二相干态光信号经第四波分复用器DWDM4发送至第二偏振控制器PC2。
更进一步地，各个所述ALICE发送方均包括依次顺序连接的第一强度调制器MZM1、第一相位调制器PM1和第一衰减器VOA1；各个所述BOB发送方均包括依次顺序连接的第二强度调制器MZM2、第二相位调制器PM2和第二衰减器VOA2；
所述第一强度调制器MZM1通过量子信道与第一波分复用器DWDM1连接，所述第一衰减器VOA1通过量子信道与第二波分复用器DWDM2连接；所述第二强度调制器MZM2通过量子信道与第三波分复用器DWDM3连接，所述第二衰减器VOA2通过量子信道与第四波分复用器DWDM4连接；
经所述第一分束器BS1分束后的两束光信号，一束光信号依次经过第一强度调制器MZM1、第一相位调制器PM1制备所述第一相干态光信号，另一束光信号依次经过第二强度调制器MZM2、第二相位调制器PM2制备所述第二相干态光信号；
所述第一衰减器VOA1，用于控制所述第一相干态光信号的强度；所述第二衰减器VOA2，用于控制所述第二相干态光信号的强度。
更进一步地，所述第一相干态光信号、第二相干态光信号的幅度均满足均值为0、方差为μ的独立的相同高斯分布；所述第一相干态光信号、第二相干态光信号分别经过第一衰减器VOA1、第二衰减器VOA2来控制相干态光信号的强度；经过衰减器后的相干态光信号均包括M个连续的导频信号和级联的N个连续的数据信号；所述导频信号，用于初步获得经过衰减器前的光信号与发送方的本振光L0之间的频偏；所述数据信号，用于进一步获得由路径长度波动引起的频偏和相位漂移；
所述第二波分复用器DWDM2将第一相干态光信号通过距离为LAC的量子信道发送至第一偏振控制器PC1；所述第四波分复用器DWDM4将第二相干态光信号通过距离为LBC的量子信道发送至第二偏振控制器PC2；
所述量子信道采用单模光纤SMF连接；采用单模光纤SMF可以有效降低信号传输过程中的信道损耗，保证偏振态能独立变化；
将ALICE发送方到接收方Charlie的单模光纤SMF作为量子通道，而BOB发送方到接收方Charlie的单模光纤SMF用作延迟线，以同步ALICE发送方、BOB发送方两方的信号。
进一步地，所述接收方Charlie还包括第三分束器BS3、第四分束器BS4、第五分束器BS5、第三衰减器VOA3、第三相位调制器PM3、光电监检测器PD、第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2、示波器OSC、第二稳频激光器L2和开关S；
所述第一偏振控制器PC1的输出端与第二偏振控制器PC2的输出端并联接入第二分束器BS2的输入端；所述第二分束器BS2还包括两个输出端，一个输出端与开关S连接，另一个输出端与第五分束器BS5连接；所述第二稳频激光器L2与第三衰减器VOA3、第四分束器BS4、第三相位调制器PM3顺次连接，且所述第三相位调制器PM3与第二分束器BS2并联接入第五分束器BS5；所述第五分束器BS5的两个输出端均与第二零差探测器Hom2相连；
所述开关S用于接通第一端口或第二端口，当所述开关S向上拨动，接通第二端口，此时所述第二分束器BS2与光电检测器PD连接；所述开关S向下拨动，接通第一端口，此时所述第二分束器BS2与第四分束器BS4并联接入到第三分束器BS3；所述第三分束器BS3的两个输出端均与第一零差探测器Hom1相连；所述光电检测器PD、第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2并联接入示波器OSC；
所述第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2均用于测量输入到零差探测器内的光信号的正交分量，且各所述零差探测器均不对光信号的状态进行调制，因此省略了随机发生器，使系统结构更加简单；
所述示波器OSC用来采集光电检测器PD、第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2的输出结果。
进一步地，所述第一干涉光信号经第二分束器BS2分束，一束光信号向开关S方向传播；另一束光信号向第五分束器BS5方向传播，并与来自第三相位调制器PM3的光信号在第五分束器BS5发生干涉得到第三干涉光信号；所述第三干涉光信号再经第五分束器BS5分束成两束光信号，两束光信号分别从第二零差探测器Hom2的不同端口输入；所述第二零差探测器Hom2，用于探测第三干涉光信号的量子态的正交相位分量。
进一步地，当开关S接通第一端口时，开关S与第三分束器BS3接通形成第一路径；当开关S接通第二端口时，开关S与光电检测器PD接通形成第二路径；
对于向开关S方向传播的光信号，当开关S接通第二端口时，光信号进入第二路径，再由光电检测器PD直接监测光信号的干涉输出功率以获得监测结果；所述光电检测器PD的监测结果用于反映经第一分束器BS1分束的两束光信号分别经过n个ALICE发送方、n个BOB发送方的量子信道后的相位漂移；
当开关S接通第一端口时，光信号进入第一路径；所述第一路径上的光信号与来自第二稳频激光器L2的光信号在第三分束器BS3处发生干涉得到第二干涉光信号，所述第二干涉光信号随后进入第一零差探测器Hom1；所述第一零差探测器Hom1，用于探测第二干涉光信号的量子态的正交振幅分量。
进一步地，所述第二稳频激光器L2、第一稳频激光器L1所发射的激光均为连续单频光信号，所述连续单频光信号的中心波长为1542.38nm、线宽为150kHz；所述第二稳频激光器L2和第一稳频激光器L1所发射的激光的光功率均控制在-40.3dbm～-39.7dbm，这样能很好地满足理论协议对于调制方差的需求；
在第二稳频激光器L2后设置功率计，所述功率计用于在实验测量前对第二稳频激光器L2进行光功率检测，当功率计检测到光功率为-40.3dbm～-39.7dbm后，去掉功率计并接上第三衰减器VOA3将激光的光功率控制在4.7dbm～5.3dbm，再进行后续实验测量；所述第二稳频激光器L2发射的连续单频光信号用作发送方的本振光LO，并采用所述功率计对本振光LO的光功率进行实时监测和调整光功率；
本振光LO经过第四分束器BS4分束，一束光信号与所述第一路径的光信号在第三分束器BS3处发生干涉，得到所述第二干涉光信号；另一束光信号则经过第三相位调制器PM3与第二分束器BS2向第五分束器BS5方向分离出的光信号在第五分束器BS5处发生干涉，得到所述第三干涉光信号；最终，由第一零差探测器Hom1测量第二干涉光信号的正交振幅分量XA，第二零差探测器Hom2测量第三干涉光信号的正交相位分量PB；其中，所述正交振幅分量XA包括先导段XPA2和数据段XDA2；所述正交相位分量PB包括先导段PPB2和数据段PDB2；
分别在第二分束器BS2、第三分束器BS3、第五分束器BS5处发生干涉的干涉光信号最终都并联接入所述示波器OSC显示。
进一步地，所述第一强度调制器MZM1、第二强度调制器MZM2均为马赫-曾德尔调制器；所述第一分束器BS1、第二分束器BS2、第三分束器BS3、第四分束器BS4、第五分束器BS5的分光比均为50:50。
由于我们使用的是量子信号的连续波模式，整个系统的带宽主要取决于零差探测器的带宽；系统的频率漂移主要取决于稳频激光器的自发辐射引起的相位噪声，受其他外界因素影响较小。
一种基于DMPM的CV-MDI-QKD方法，应用于上述的基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，所述基于DMPM的CV-MDI-QKD方法包括以下步骤：
S1：第一稳频激光器L1发射连续单频光，并用作n个ALICE发送方和n个BOB发送方的光信号；
S2：各个ALICE发送方和各个BOB发送方分别制备4个相干态其中k＝0、1、2、3；|α>、|αeiπ>构成X基；/>构成P基；
S3：各个ALICE发送方、各个BOB发送方分别从X基和P基中随机选择相干态，并利用随机二进制数0、1对X基、P基进行密钥编码；随机选出的相干态再分别通过第一衰减器VOA1、第二衰减器VOA2调整强度；
S4：经过强度调整后的相干态分别发送至接收方Charlie的第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2，再利用第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2对相干态进行手动调整，使得各个ALICE发送方、各个BOB发送方分别发射的相干态的偏振保持一致并在第二分束器BS2处发生干涉得到第一干涉光信号；
S5：第一干涉光信号的相干态通过第一零差探测器Hom1测量正交振幅分量XA、第二零差探测器Hom2测量正交相位分量PB，接收方Charlie将各零差探测器的测量结果{XA2，PB2}在通过身份认证的公共信道中公开；
S6：接收方Charlie与各个ALICE发送方、各个BOB发送方的测量基进行核对校准得到原始密钥；
S7：各个ALICE发送方、各个BOB发送方基于得到的原始密钥，结合接收方Charlie在公共信道中公布的结果进行进一步的参数获得提取出一串密钥，并利用通过身份认证的公共信道进行信息协调和隐私放大，最终实现量子密钥分发的整个过程。
进一步地，各个ALICE发送方、各个BOB发送方均可优化振幅和相位匹配的阈值，最大限度提高密钥速率和安全传输距离。
进一步地，在步骤S3中，所述密钥编码，即为|α>和对应二进制编码中的0，|αeiπ>和/>对应编码1。
进一步地，在步骤S6中，各个ALICE发送方、各个BOB发送方先分别在公共信道中公布各自所选择的测量基，再根据接收方Charlie公布的测量结果，各个ALICE发送方、各个BOB发送方分别记录其对应的随机二进制数；各个ALICE发送方保持其得到的二进制字符串不变，各个BOB发送方在其对应的编码状态为P基时，则对其进行比特反转，生成新的二进制序列；随后，各个ALICE发送方、各个BOB发送方得到共享的二进制原始密钥。
进一步地，DMPM的全称为Discrete-modulated phase-matching，即离散调制相位匹配；
所述密钥编码是基于离散分布匹配的特定的相位选择，而不是直接将密钥信息编码在连续分布的正交值上进行进一步判断，该编码方式可有效降低所需检测效率(Required detection efficiency，RDE)，弱化信道过量噪声对密钥生成率的影响；
其中，所述基于离散分布匹配的特定的相位选择为：将密钥信息编码到一些离散且匹配的特定阶段(选取离散值K＝0、1、2、3，选定不同值形成测量基)，再由接收方Charlie公开宣布同差检测结果后，合法方(各个ALICE发送方和各个BOB发送方)之间可以建立相关性。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明将关键信息编码为一些离散的特定阶段，其密钥编码基于离散分布匹配的特定相位选择，而不是直接将信息编码在连续分布的正交值上进行进一步判断，有效降低了所需检测效率(Required detection efficiency，RDE)，弱化了信道过量噪声对密钥速率的影响；
(2)与传统的GMCS CV-MDI-QKD方案比较，本发明在理想的不对称的情况下，可以在目前低效率检测的情况下实现安全的密钥分发，对抗典型的、强大的非高斯个体攻击可达到离散编码量子态辨别的量子极限；对于对称情况，该方法可优化振幅和阈值，以最大限度来提高密钥生成率和安全传输距离。
附图说明
图1为本发明的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统的整体结构框图；
图2为本发明的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统的第一ALICE发送方ALICE1、第一BOB发送方BOB1和接收方Charlie连接的结构框图；
图3为本发明的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统的各个ALICE发送方的结构示意图；
图4为本发明的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统的各个BOB发送方的结构示意图；
图5为本发明的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统的接收方Charlie的结构示意图；
图6为本发明的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD方法的技术流程图。
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-5所示，本实施例提供了一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，包括用户发送端和用户接收端，所述用户发送端和用户接收端通过公共信道和量子信道连接；
所述用户发送端包括n个ALICE发送方和n个BOB发送方，n为正整数；其中，n个ALICE发送方分别为第一ALICE发送方ALICE1、第二ALICE发送方ALICE2、……、第n ALICE发送方ALICE n；n个BOB发送方分别为第一BOB发送方BOB1、第二BOB发送方BOB2、……、第nBOB发送方BOB n；各所述ALICE发送方和各BOB发送方均同时独立制备相干态；
所述用户接收端包括接收方Charlie；所述用户发送端还包括顺次连接的第一稳频激光器L1和第一分束器BS1；
所述第一稳频激光器L1发射出激光，激光经第一分束器BS1分为两束光信号，一束光信号发送至n个ALICE发送方制备第一相干态光信号，所述第一相干态光信号通过量子信道发送至所述接收方Charlie；另一束光信号发送至n个BOB发送方制备第二相干态光信号，所述第二相干态光信号通过量子信道发送至所述接收方Charlie；所述第一相干态光信号与第二相干态光信号在所述接收方Charlie发生干涉得到第一干涉光信号；所述接收方Charlie探测第一干涉光信号的量子态，并在公共信道中公布测量结果；所述量子态包括所述相干态。
具体地，所述接收方Charlie包括第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2和第二分束器BS2；所述第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2分别与第二分束器BS2连接；
所述第一相干态光信号经第一偏振控制器PC1发送至第二分束器BS2；所述第二相干态光信号经第二偏振控制器PC2发送至第二分束器BS2；所述第一相干态光信号与第二相干态光信号在第二分束器BS2发生干涉得到第一干涉光信号；
所述第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2用于调节保持第一相干态光信号与第二相干态光信号的偏振方向一致。
具体地，所述用户发送端还包括第一波分复用器DWDM1、第二波分复用器DWDM2、第三波分复用器DWDM3和第四波分复用器DWDM4；
n个ALICE发送方通过第一波分复用器DWDM1与第一分束器BS1连接，n个BOB发送方通过第三波分复用器DWDM3与第一分束器BS1连接；
所述第一偏振控制器PC1通过第二波分复用器DWDM2与n个ALICE发送方连接；所述第二偏振控制器PC2通过第四波分复用器DWDM4与n个BOB发送方连接；
所述第二波分复用器DWDM2通过量子信道与第一偏振控制器PC1的输入端连接；所述第四波分复用器DWDM4通过量子信道与第二偏振控制器PC2的输入端连接；
所述第一相干态光信号经第二波分复用器DWDM2发送至第一偏振控制器PC1；所述第二相干态光信号经第四波分复用器DWDM4发送至第二偏振控制器PC2。
具体地，各个所述ALICE发送方均包括依次顺序连接的第一强度调制器MZM1、第一相位调制器PM1和第一衰减器VOA1；各个所述BOB发送方均包括依次顺序连接的第二强度调制器MZM2、第二相位调制器PM2和第二衰减器VOA2；
所述第一强度调制器MZM1通过量子信道与第一波分复用器DWDM1连接，所述第一衰减器VOA1通过量子信道与第二波分复用器DWDM2连接；所述第二强度调制器MZM2通过量子信道与第三波分复用器DWDM3连接，所述第二衰减器VOA2通过量子信道与第四波分复用器DWDM4连接；
经所述第一分束器BS1分束后的两束光信号，一束光信号依次经过第一强度调制器MZM1、第一相位调制器PM1制备所述第一相干态光信号，另一束光信号依次经过第二强度调制器MZM2、第二相位调制器PM2制备所述第二相干态光信号；
所述第一衰减器VOA1，用于控制所述第一相干态光信号的强度；所述第二衰减器VOA2，用于控制所述第二相干态光信号的强度。
在本实施例中，所述第一相干态光信号、第二相干态光信号的幅度均满足均值为0、方差为μ的独立的相同高斯分布；所述第一相干态光信号、第二相干态光信号分别经过第一衰减器VOA1、第二衰减器VOA2来控制相干态光信号的强度；经过衰减器后的相干态光信号均包括M个连续的导频信号和级联的N个连续的数据信号；所述导频信号，用于初步获得经过衰减器前的光信号与发送方的本振光L0之间的频偏；所述数据信号，用于进一步获得由路径长度波动引起的频偏和相位漂移；
所述第二波分复用器DWDM2将第一相干态光信号通过距离为LAC的量子信道发送至第一偏振控制器PC1；所述第四波分复用器DWDM4将第二相干态光信号通过距离为LBC的量子信道发送至第二偏振控制器PC2；
所述量子信道采用单模光纤SMF连接；采用单模光纤SMF可以有效降低信号传输过程中的信道损耗，保证偏振态能独立变化；
将ALICE发送方到接收方Charlie的单模光纤SMF作为量子通道，而BOB发送方到接收方Charlie的单模光纤SMF用作延迟线，以同步ALICE发送方、BOB发送方两方的信号。
具体地，所述接收方Charlie还包括第三分束器BS3、第四分束器BS4、第五分束器BS5、第三衰减器VOA3、第三相位调制器PM3、光电监检测器PD、第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2、示波器OSC、第二稳频激光器L2和开关S；
所述第一偏振控制器PC1的输出端与第二偏振控制器PC2的输出端并联接入第二分束器BS2的输入端；所述第二分束器BS2还包括两个输出端，一个输出端与开关S连接，另一个输出端与第五分束器BS5连接；所述第二稳频激光器L2与第三衰减器VOA3、第四分束器BS4、第三相位调制器PM3顺次连接，且所述第三相位调制器PM3与第二分束器BS2并联接入第五分束器BS5；所述第五分束器BS5的两个输出端均与第二零差探测器Hom2相连；
所述开关S用于接通第一端口或第二端口，当所述开关S向上拨动，接通第二端口，此时所述第二分束器BS2与光电检测器PD连接；所述开关S向下拨动，接通第一端口，此时所述第二分束器BS2与第四分束器BS4并联接入到第三分束器BS3；所述第三分束器BS3的两个输出端均与第一零差探测器Hom1相连；所述光电检测器PD、第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2并联接入示波器OSC；
所述第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2均用于测量输入到零差探测器内的光信号的正交分量，且各所述零差探测器均不对光信号的状态进行调制，因此省略了随机发生器，使系统结构更加简单；
所述示波器OSC用来采集光电检测器PD、第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2的输出结果。
具体地，所述第一干涉光信号经第二分束器BS2分束，一束光信号向开关S方向传播；另一束光信号向第五分束器BS5方向传播，并与来自第三相位调制器PM3的光信号在第五分束器BS5发生干涉得到第三干涉光信号；所述第三干涉光信号再经第五分束器BS5分束成两束光信号，两束光信号分别从第二零差探测器Hom2的不同端口输入；所述第二零差探测器Hom2，用于探测第三干涉光信号的量子态的正交相位分量。
具体地，当开关S接通第一端口时，开关S与第三分束器BS3接通形成第一路径；当开关S接通第二端口时，开关S与光电检测器PD接通形成第二路径；
对于向开关S方向传播的光信号，当开关S接通第二端口时，光信号进入第二路径，再由光电检测器PD直接监测光信号的干涉输出功率以获得监测结果；所述光电检测器PD的监测结果用于反映经第一分束器BS1分束的两束光信号分别经过n个ALICE发送方、n个BOB发送方的量子信道后的相位漂移；
当开关S接通第一端口时，光信号进入第一路径；所述第一路径上的光信号与来自第二稳频激光器L2的光信号在第三分束器BS3处发生干涉得到第二干涉光信号，所述第二干涉光信号随后进入第一零差探测器Hom1；所述第一零差探测器Hom1，用于探测第二干涉光信号的量子态的正交振幅分量。
具体地，所述第二稳频激光器L2、第一稳频激光器L1所发射的激光均为连续单频光信号，所述连续单频光信号的中心波长为1542.38nm、线宽为150kHz；所述第二稳频激光器L2和第一稳频激光器L1所发射的激光的光功率均控制在-40.3dbm～-39.7dbm，这样能很好地满足理论协议对于调制方差的需求；
具体地，在本实施例中，所述第二稳频激光器L2和第一稳频激光器L1所发射的激光的光功率均优先考虑控制在-40dbm；
在第二稳频激光器L2后设置功率计，所述功率计用于在实验测量前对第二稳频激光器L2进行光功率检测，当功率计检测到光功率为-40.3dbm～-39.7dbm后，去掉功率计并接上第三衰减器VOA3将激光的光功率控制在4.7dbm～5.3dbm，再进行后续实验测量；所述第二稳频激光器L2发射的连续单频光信号用作发送方的本振光LO，并采用所述功率计对本振光LO的光功率进行实时监测和调整光功率；
具体地，在本实施例中，所述第二稳频激光器L2去掉功率计并接上第三衰减器VOA3后优先考虑将激光的光功率控制在5dbm；
本振光LO经过第四分束器BS4分束，一束光信号与所述第一路径的光信号在第三分束器BS3处发生干涉，得到所述第二干涉光信号；另一束光信号则经过第三相位调制器PM3与第二分束器BS2向第五分束器BS5方向分离出的光信号在第五分束器BS5处发生干涉，得到所述第三干涉光信号；最终，由第一零差探测器Hom1测量第二干涉光信号的正交振幅分量XA，第二零差探测器Hom2测量第三干涉光信号的正交相位分量PB；其中，所述正交振幅分量XA包括先导段XPA2和数据段XDA2；所述正交相位分量PB包括先导段PPB2和数据段PDB2；
分别在第二分束器BS2、第三分束器BS3、第五分束器BS5处发生干涉的干涉光信号最终都并联接入所述示波器OSC显示。
具体地，所述第一强度调制器MZM1、第二强度调制器MZM2均为马赫-曾德尔调制器；所述第一分束器BS1、第二分束器BS2、第三分束器BS3、第四分束器BS4、第五分束器BS5的分光比均为50:50。
由于我们使用的是量子信号的连续波模式，整个系统的带宽主要取决于零差探测器的带宽；系统的频率漂移主要取决于稳频激光器的自发辐射引起的相位噪声，受其他外界因素影响较小。
如图6所示，本实施例还提供了一种基于DMPM的CV-MDI-QKD方法，应用于上述的基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，所述基于DMPM的CV-MDI-QKD方法包括以下步骤：
S1：第一稳频激光器L1发射连续单频光，并用作n个ALICE发送方和n个BOB发送方的光信号；
S2：各个ALICE发送方和各个BOB发送方分别制备4个相干态其中k＝0、1、2、3；|α>、|αeiπ>构成X基；/>构成P基；
S3：各个ALICE发送方、各个BOB发送方分别从X基和P基中随机选择相干态，并利用随机二进制数0、1对X基、P基进行密钥编码；随机选出的相干态再分别通过第一衰减器VOA1、第二衰减器VOA2调整强度；
S4：经过强度调整后的相干态分别发送至接收方Charlie的第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2，再利用第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2对相干态进行手动调整，使得各个ALICE发送方、各个BOB发送方分别发射的相干态的偏振保持一致并在第二分束器BS2处发生干涉得到第一干涉光信号；
S5：第一干涉光信号的相干态通过第一零差探测器Hom1测量正交振幅分量XA、第二零差探测器Hom2测量正交相位分量PB，接收方Charlie将各零差探测器的测量结果{XA2，PB2}在通过身份认证的公共信道中公开；
S6：接收方Charlie与各个ALICE发送方、各个BOB发送方的测量基进行核对校准得到原始密钥；
S7：各个ALICE发送方、各个BOB发送方基于得到的原始密钥，结合接收方Charlie在公共信道中公布的结果进行进一步的参数获得提取出一串密钥，并利用通过身份认证的公共信道进行信息协调和隐私放大，最终实现量子密钥分发的整个过程。
具体地，各个ALICE发送方、各个BOB发送方均可优化振幅和相位匹配的阈值，最大限度提高密钥速率和安全传输距离。
具体地，在步骤S3中，所述密钥编码，即为|α>和对应二进制编码中的0，|αeiπ>和/>对应编码1。
具体地，在步骤S6中，各个ALICE发送方、各个BOB发送方先分别在公共信道中公布各自所选择的测量基，再根据接收方Charlie公布的测量结果，各个ALICE发送方、各个BOB发送方分别记录其对应的随机二进制数；各个ALICE发送方保持其得到的二进制字符串不变，各个BOB发送方在其对应的编码状态为P基时，则对其进行比特反转，生成新的二进制序列；随后，各个ALICE发送方、各个BOB发送方得到共享的二进制原始密钥。
具体地，DMPM的全称为Discrete-modulated phase-matching，即离散调制相位匹配；
所述密钥编码是基于离散分布匹配的特定的相位选择，而不是直接将密钥信息编码在连续分布的正交值上进行进一步判断，该编码方式可有效降低所需检测效率(Required detection efficiency，RDE)，弱化信道过量噪声对密钥生成率的影响；
其中，所述基于离散分布匹配的特定的相位选择为：将密钥信息编码到一些离散且匹配的特定阶段(选取离散值K＝0、1、2、3，选定不同值形成测量基)，再由接收方Charlie公开宣布同差检测结果后，合法方(各个ALICE发送方和各个BOB发送方)之间可以建立相关性。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，包括用户发送端和用户接收端，所述用户发送端和用户接收端通过公共信道和量子信道连接；其特征在于，
所述用户发送端包括n个ALICE发送方和n个BOB发送方，n为正整数；其中，n个ALICE发送方分别为第一ALICE发送方ALICE1、第二ALICE发送方ALICE2、……、第n ALICE发送方ALICE n；n个BOB发送方分别为第一BOB发送方BOB1、第二BOB发送方BOB2、……、第n BOB发送方BOB n；各所述ALICE发送方和各BOB发送方均同时独立制备相干态；
所述用户发送端还包括顺次连接的第一稳频激光器L1和第一分束器BS1；
所述用户接收端包括接收方Charlie；
所述第一稳频激光器L1发射出激光，激光经第一分束器BS1分为两束光信号，一束光信号发送至n个ALICE发送方制备第一相干态光信号，所述第一相干态光信号通过量子信道发送至所述接收方Charlie；
另一束光信号发送至n个BOB发送方制备第二相干态光信号，所述第二相干态光信号通过量子信道发送至所述接收方Charlie；
所述第一相干态光信号与第二相干态光信号在所述接收方Charlie发生干涉得到第一干涉光信号；所述接收方Charlie探测第一干涉光信号的量子态，并在公共信道中公布测量结果；所述量子态包括所述相干态。
2.根据权利要求1所述的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，其特征在于，所述接收方Charlie包括第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2和第二分束器BS2；所述第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2分别与第二分束器BS2连接；
所述第一相干态光信号经第一偏振控制器PC1发送至第二分束器BS2；所述第二相干态光信号经第二偏振控制器PC2发送至第二分束器BS2；所述第一相干态光信号与第二相干态光信号在第二分束器BS2发生干涉得到第一干涉光信号；
所述第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2用于调节保持第一相干态光信号与第二相干态光信号的偏振方向一致。
3.根据权利要求2所述的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，其特征在于，所述用户发送端还包括第一波分复用器DWDM1、第二波分复用器DWDM2、第三波分复用器DWDM3和第四波分复用器DWDM4；
n个ALICE发送方通过第一波分复用器DWDM1与第一分束器BS1连接，n个BOB发送方通过第三波分复用器DWDM3与第一分束器BS1连接；
所述第一偏振控制器PC1通过第二波分复用器DWDM2与n个ALICE发送方连接；所述第二偏振控制器PC2通过第四波分复用器DWDM4与n个BOB发送方连接；
所述第二波分复用器DWDM2通过量子信道与第一偏振控制器PC1的输入端连接；所述第四波分复用器DWDM4通过量子信道与第二偏振控制器PC2的输入端连接；
所述第一相干态光信号经第二波分复用器DWDM2发送至第一偏振控制器PC1；所述第二相干态光信号经第四波分复用器DWDM4发送至第二偏振控制器PC2。
4.根据权利要求3所述的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，其特征在于，各个所述ALICE发送方均包括依次顺序连接的第一强度调制器MZM1、第一相位调制器PM1和第一衰减器VOA1；各个所述BOB发送方均包括依次顺序连接的第二强度调制器MZM2、第二相位调制器PM2和第二衰减器VOA2；
所述第一强度调制器MZM1通过量子信道与第一波分复用器DWDM1连接，所述第一衰减器VOA1通过量子信道与第二波分复用器DWDM2连接；所述第二强度调制器MZM2通过量子信道与第三波分复用器DWDM3连接，所述第二衰减器VOA2通过量子信道与第四波分复用器DWDM4连接；
经所述第一分束器BS1分束后的两束光信号，一束光信号依次经过第一强度调制器MZM1、第一相位调制器PM1制备所述第一相干态光信号，另一束光信号依次经过第二强度调制器MZM2、第二相位调制器PM2制备所述第二相干态光信号；
所述第一衰减器VOA1，用于控制所述第一相干态光信号的强度；所述第二衰减器VOA2，用于控制所述第二相干态光信号的强度。
5.根据权利要求4所述的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，其特征在于，所述第一相干态光信号、第二相干态光信号的幅度均满足均值为0、方差为μ的独立的相同高斯分布；所述第一相干态光信号、第二相干态光信号分别经过第一衰减器VOA1、第二衰减器VOA2来控制相干态光信号的强度；经过衰减器后的相干态光信号均包括M个连续的导频信号和级联的N个连续的数据信号；
所述第二波分复用器DWDM2将第一相干态光信号通过距离为LAC的量子信道发送至第一偏振控制器PC1；所述第四波分复用器DWDM4将第二相干态光信号通过距离为LBC的量子信道发送至第二偏振控制器PC2；
所述量子信道采用单模光纤SMF连接；将ALICE发送方到接收方Charlie的单模光纤SMF作为量子通道。
6.根据权利要求5所述的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，其特征在于，所述接收方Charlie还包括第三分束器BS3、第四分束器BS4、第五分束器BS5、第三衰减器VOA3、第三相位调制器PM3、光电监检测器PD、第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2、示波器OSC、第二稳频激光器L2和开关S；
所述第一偏振控制器PC1的输出端与第二偏振控制器PC2的输出端并联接入第二分束器BS2的输入端；所述第二分束器BS2还包括两个输出端，一个输出端与开关S连接，另一个输出端与第五分束器BS5连接；所述第二稳频激光器L2与第三衰减器VOA3、第四分束器BS4、第三相位调制器PM3顺次连接，且所述第三相位调制器PM3与第二分束器BS2并联接入第五分束器BS5；所述第五分束器BS5的两个输出端均与第二零差探测器Hom2相连；
所述开关S用于接通第一端口或第二端口，当所述开关S向上拨动，接通第二端口，此时所述第二分束器BS2与光电检测器PD连接；所述开关S向下拨动，接通第一端口，此时所述第二分束器BS2与第四分束器BS4并联接入到第三分束器BS3；所述第三分束器BS3的两个输出端均与第一零差探测器Hom1相连；所述光电检测器PD、第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2并联接入示波器OSC；
所述第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2均用于测量输入到零差探测器内的光信号的正交分量；
所述示波器OSC用来采集光电检测器PD、第一零差探测器Hom1、第二零差探测器Hom2的输出结果。
7.根据权利要求6所述的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，其特征在于，所述第一干涉光信号经第二分束器BS2分束，一束光信号向开关S方向传播；另一束光信号向第五分束器BS5方向传播，并与来自第三相位调制器PM3的光信号在第五分束器BS5发生干涉得到第三干涉光信号；所述第三干涉光信号再经第五分束器BS5分束成两束光信号，两束光信号分别从第二零差探测器Hom2的不同端口输入；所述第二零差探测器Hom2，用于探测第三干涉光信号的量子态的正交相位分量；
当开关S接通第一端口时，开关S与第三分束器BS3接通形成第一路径；当开关S接通第二端口时，开关S与光电检测器PD接通形成第二路径；
对于向开关S方向传播的光信号，当开关S接通第二端口时，光信号进入第二路径，再由光电检测器PD直接监测光信号的干涉输出功率以获得监测结果；所述光电检测器PD的监测结果用于反映经第一分束器BS1分束的两束光信号分别经过n个ALICE发送方、n个BOB发送方的量子信道后的相位漂移；
当开关S接通第一端口时，光信号进入第一路径；所述第一路径上的光信号与来自第二稳频激光器L2的光信号在第三分束器BS3处发生干涉得到第二干涉光信号，所述第二干涉光信号随后进入第一零差探测器Hom1；所述第一零差探测器Hom1，用于探测第二干涉光信号的量子态的正交振幅分量。
8.根据权利要求7所述的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，其特征在于，所述第二稳频激光器L2、第一稳频激光器L1所发射的激光均为连续单频光信号，且所述第二稳频激光器L2和第一稳频激光器L1所发射的激光的光功率均控制在-40.3dbm～-39.7dbm；
在第二稳频激光器L2后设置功率计，所述功率计用于在实验测量前对第二稳频激光器L2进行光功率检测，当功率计检测到光功率为-40.3dbm～-39.7dbm后，去掉功率计并接上第三衰减器VOA3将激光的光功率控制在4.7dbm～5.3dbm，再进行后续实验测量；所述第二稳频激光器L2发射的连续单频光信号用作发送方的本振光LO，并采用所述功率计对本振光LO的光功率进行实时监测和调整光功率；
本振光LO经过第四分束器BS4分束，一束光信号与所述第一路径的光信号在第三分束器BS3处发生干涉，得到所述第二干涉光信号；另一束光信号则经过第三相位调制器PM3与第二分束器BS2向第五分束器BS5方向分离出的光信号在第五分束器BS5处发生干涉，得到所述第三干涉光信号；最终，由第一零差探测器Hom1测量第二干涉光信号的正交振幅分量XA，第二零差探测器Hom2测量第三干涉光信号的正交相位分量PB；其中，所述正交振幅分量XA包括先导段XPA2和数据段XDA2；所述正交相位分量PB包括先导段PPB2和数据段PDB2；
分别在第二分束器BS2、第三分束器BS3、第五分束器BS5处发生干涉的干涉光信号最终都并联接入所述示波器OSC显示；
所述第一强度调制器MZM1、第二强度调制器MZM2均为马赫-曾德尔调制器；所述第一分束器BS1、第二分束器BS2、第三分束器BS3、第四分束器BS4、第五分束器BS5的分光比均为50:50。
9.一种基于DMPM的CV-MDI-QKD方法，其特征在于，应用于如权利要求1～8任一项所述基于DMPM的CV-MDI-QKD系统，包括以下步骤：
S1：第一稳频激光器L1发射连续单频光，并用作n个ALICE发送方和n个BOB发送方的光信号；
S2：各个ALICE发送方和各个BOB发送方分别制备4个相干态其中k＝0、1、2、3；|α>、|αeiπ>构成X基；/>构成P基；
S3：各个ALICE发送方、各个BOB发送方分别从X基和P基中随机选择相干态，并利用随机二进制数0、1对X基、P基进行密钥编码；随机选出的相干态再分别通过第一衰减器VOA1、第二衰减器VOA2调整强度；
S4：经过强度调整后的相干态分别发送至接收方Charlie的第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2，再利用第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2对相干态进行手动调整，使得各个ALICE发送方、各个BOB发送方分别发射的相干态的偏振保持一致并在第二分束器BS2处发生干涉得到第一干涉光信号；
S5：第一干涉光信号的相干态通过第一零差探测器Hom1测量正交振幅分量XA、第二零差探测器Hom2测量正交相位分量PB，接收方Charlie将各零差探测器的测量结果{XA2，PB2}在通过身份认证的公共信道中公开；
S6：接收方Charlie与各个ALICE发送方、各个BOB发送方的测量基进行核对校准得到原始密钥；
S7：各个ALICE发送方、各个BOB发送方基于得到的原始密钥，结合接收方Charlie在公共信道中公布的结果进行进一步的参数获得提取出一串密钥，并利用通过身份认证的公共信道进行信息协调和隐私放大，最终实现量子密钥分发的整个过程。
10.根据权利要求9所述的一种基于DMPM的CV-MDI-QKD方法，其特征在于，在步骤S3中，所述密钥编码，即为|α>和对应二进制编码中的0，|αeiπ>和/>对应编码1；
所述密钥编码是基于离散分布匹配的特定的相位选择；
在步骤S6中，各个ALICE发送方、各个BOB发送方先分别在公共信道中公布各自所选择的测量基，再根据接收方Charlie公布的测量结果，各个ALICE发送方、各个BOB发送方分别记录其对应的随机二进制数；各个ALICE发送方保持其得到的二进制字符串不变，各个BOB发送方在其对应的编码状态为P基时，则对其进行比特反转，生成新的二进制序列；随后，各个ALICE发送方、各个BOB发送方得到共享的二进制原始密钥。
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