高速连续变量量子密钥分发系统及其位帧同步方法
【专利摘要】本发明提供了一种高速连续变量量子密钥分发系统及其位帧同步方法，所述位帧同步方法包括以下步骤：步骤一，发送方生成一组特殊数据作为同步帧；步骤二，发送方通过量子信道把相干态发送给接收方；步骤三，接收方使用平衡零差检测器测量相干态的位移分量；步骤四，根据步骤一从经典信道获得的特殊数据的结构信息，接收方选定合适的交替电压判定阈值和帧同步段判定阈值来判定同步帧；步骤五，若在规定的时间里，接收方都没有搜寻到同步帧，则同步失败，此时接收方需要调整交替电压判定阈值的取值和帧同步段判定阈值的取值，然后重新通信。本发明能有效克服同步信号在量子密钥分发过程中受外界环境因素的干扰，实现通信双方同步。
【专利说明】高速连续变量量子密钥分发系统及其位帧同步方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤量子通信【技术领域】，具体地，涉及一种高速连续变量量子密钥分 发系统及其位帧同步方法。
【背景技术】
[0002] 量子密钥分发能使合法通信双方在不可信任的量子信道中安全共享密钥，与离散 变量量子密钥分发协议不同，连续变量量子密钥分发将信息编码在连续量子变量（相干态 的正则位移和正则动量）上且使用高效成本低的零差或外差平衡检测技术，这种摒弃了单 光子技术且具有更高的密钥分发速率的连续变量量子密钥分发受到了学术界的密切关注。 目前，学术界已经提出了很多连续变量量子密钥分发协议并且从理论上进行了安全性分 析，给出了个体攻击和联合攻击的安全门限，特别是基于高斯调制的相干态量子密钥分发 协议的无条件安全性得到了充分论证。不但在理论上获得了重要进展，基于高斯调制的相 干态量子密钥分发在实验上也受到了人们的极大关注，通过使用先进的检测技术和纠错算 法，近十年来连续变量系统在实验实现方面取得了很大的进步。到目前为止，连续变量量子 密钥分发在实验环境下已经能够实现80km的安全距离传输。
[0003] 不过，现已有实验系统都是针对低速连续变量量子密钥分发而开展的，其生成的 最终安全码率不高。在很多实际应用诸如视频文件加密、大数据文件加密等需要大量数据 传输的数据加密系统中，通常需要高速密钥分发技术。因此，如何实现高速连续变量量子密 钥分发系统成为亟待解决的问题。在高速连续变量量子密钥分发系统中，许多技术与以往 的低速连续变量量子密钥分发技术不同。例如，在低速系统中所应用的同步技术就无法有 效的移植到高速系统中。在连续变量量子密钥分发系统中，同步技术是一项至关重要的核 心技术，因为在连续变量量子密钥分发系统中要想正确提取出最终密钥，通信双方必须首 先共享一串相关数据，即接收方收到的数据与发送方发送的数据必须一一对应。要达到上 述目的，通信双方必须进行同步，从而使接收方能准确的界定出数据传输过程中有效数据 的起始位置和终止位置。然而，与传统光纤通信系统不同，连续变量量子密钥分发系统中传 输的是微弱的量子信号，它极易受到外部环境的影响，如光纤抖动、外部机械振动、湿度和 温度等，这些环境因素都会影响系统中传输信号的量子相干态的状态。因此，连续变量量子 密钥分发系统不能简单地使用传统光纤通信系统的同步方案，必须使用具有符合量子传输 特性的同步方案。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高速连续变量量子密钥分发系 统及其位帧同步方法，其能有效克服同步信号在量子密钥分发过程中受外界环境因素的干 扰，实现通信双方同步。
[0005] 根据本发明的一个方面，提供一种高速连续变量量子密钥分发系统，其特征在于， 包括发送方和接收方，发送方包括第一控制部分和第一光路部分，接收方包括第二控制部 分和第二光路部分，第一光路部分包括激光源、第一分束器、第一电光相位调制器、电光幅 度调制器以及第一偏振耦合器，激光源在控制电路的作用下生成脉冲光，经第一分束器得 到量子信号光和本振光，分光比为一的光路得到量子信号光，经第一电光相位调制器的调 制和电光幅度调制器的调制进随机数，通过第一偏振耦合器与本振光合成一路进入量子信 道；第一控制部分包括第一真随机数生成控制电路、第一模拟电压输出控制电路以及时钟 触发电路，第一真随机数生成控制电路主要生成真随机数，通过第一模拟电压输出控制电 路输出到电光幅度调制器中制备高斯随机数，时钟触发电路生成系统时钟供系统使用；第 二光路部分包括第二偏振耦合器、第二电光相位调制器、第二分束器以及平衡零差检测器， 来自于量子信道的光信号通过第二偏振耦合器得到量子光信号和本振光信号，然后在第二 分束器中发生干涉，通过平衡零差检测器得到量子信息；第二控制部分包括模拟电压输入 控制电路、第二模拟电压输出控制电路以及第二真随机数生成控制电路，模拟电压输入控 制电路与平衡零差检测器相连，用于接收数据信息；第二模拟电压输出控制电路驱动第二 电光相位调制器，完成随机选择测量基的功能，第二真随机数生成控制电路用于生成随机 选择测量机所需的真随机数。
[0006] 本发明还提供一种高速连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，所述高速连 续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法包括以下步骤：步骤一，发送方生成一组特殊数 据作为同步帧；步骤二，发送方通过量子信道把相干态发送给接收方，同时，发送方通过经 典信道把特殊数据的结构信息告知接收方；步骤三，接收方使用平衡零差检测器测量相干 态的位移分量；步骤四，根据步骤一从经典信道获得的特殊数据的结构信息，接收方选定合 适的交替电压判定阈值和帧同步段判定阈值来判定同步帧；步骤五，若在规定的时间里，接 收方都没有搜寻到同步帧，则同步失败，此时接收方需要调整交替电压判定阈值的取值和 帧同步段判定阈值的取值，然后重新通信。
[0007] 优选地，所述同步帧包括K个位同步段和一个帧同步段，K为正整数。
[0008] 优选地，所述位同步段由N个电压值为νπ与0的交替电压紧跟N个电压值从0到 L的阶梯电压、相邻两个点的电压差为V"(N-1)构成，帧同步段由2Ν个电压值为νπ与0 的交替电压构成，其中Ν为正整数。
[0009] 优选地，所述接收方通过先判定位同步段，然后再判定帧同步段，最后界定出有效 通信数据实现同步。
[0010] 优选地，所述接收方判定位同步段的条件为数据中出现Ν位电压差值为AV的交 替电压紧跟Ν位阶梯电压，其中Χ2|χ|，2|χ|为平衡零差检测器检测相位相差νπ的 相干态的正则分量的最大差值，α为交替电压判定阈值。
[0011] 优选地，所述接收方判定帧同步段的条件为根据判定出位同步段后所生成的大小 为2Ν的滑动窗口中出现交替电压总次数11>3*2队，β为帧同步段判定阈值。
[0012] 优选地，所述高速连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法根据位同步段重复 次数Κ和位同步段中交替电压的交替次数Ν，计算出在高速连续变量量子密钥分发系统中 通信双方实现同步所需的实际时间t，实际时间的计算公式如下式 ：
【权利要求】
1. 一种高速连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括发送方和接收方，发送方包 括第一控制部分和第一光路部分，接收方包括第二控制部分和第二光路部分，第一光路部 分包括激光源、第一分束器、第一电光相位调制器、电光幅度调制器以及第一偏振耦合器， 激光源在控制电路的作用下生成脉冲光，经第一分束器得到量子信号光和本振光，分光比 为一的光路得到量子信号光，经第一电光相位调制器的调制和电光幅度调制器的调制进随 机数，通过第一偏振稱合器与本振光合成一路进入量子信道；第一控制部分包括第一真随 机数生成控制电路、第一模拟电压输出控制电路以及时钟触发电路，第一真随机数生成控 制电路主要生成真随机数，通过第一模拟电压输出控制电路输出到电光幅度调制器中制备 高斯随机数，时钟触发电路生成系统时钟供系统使用；第二光路部分包括第二偏振耦合器、 第二电光相位调制器、第二分束器以及平衡零差检测器，来自于量子信道的光信号通过第 二偏振耦合器得到量子光信号和本振光信号，然后在第二分束器中发生干涉，通过平衡零 差检测器得到量子信息；第二控制部分包括模拟电压输入控制电路、第二模拟电压输出控 制电路以及第二真随机数生成控制电路，模拟电压输入控制电路与平衡零差检测器相连， 用于接收数据信息；第二模拟电压输出控制电路驱动第二电光相位调制器，完成随机选择 测量基的功能，第二真随机数生成控制电路用于生成随机选择测量机所需的真随机数。
2. -种高速连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在于，所述高速连续 变量量子密钥分发系统的位帧同步方法包括以下步骤： 步骤一，发送方生成一组特殊数据作为同步帧； 步骤二，发送方通过量子信道把相干态发送给接收方，同时，发送方通过经典信道把特 殊数据的结构信息告知接收方； 步骤三，接收方使用平衡零差检测器测量相干态的位移分量； 步骤四，根据步骤一从经典信道获得的特殊数据的结构信息，接收方选定合适的交替 电压判定阈值和巾贞同步段判定阈值来判定同步巾贞； 步骤五，若在规定的时间里，接收方都没有搜寻到同步帧，则同步失败，此时接收方需 要调整交替电压判定阈值的取值和帧同步段判定阈值的取值，然后重新通信。
3. 根据权利要求1所述的高速连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在 于，所述同步帧包括K个位同步段和一个帧同步段，K为正整数。
4. 根据权利要求3所述的高速连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在 于，所述位同步段由N个电压值为νπ与0的交替电压紧跟N个电压值从0到ν π的阶梯电 压、相邻两个点的电压差为V"(N-1)构成，帧同步段由2Ν个电压值为νπ与0的交替电压 构成，其中Ν为正整数。
5. 根据权利要求3所述的高速连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在 于，所述接收方通过先判定位同步段，然后再判定帧同步段，最后界定出有效通信数据实现 同步。
6. 根据权利要求3所述的高速连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在 于，所述接收方判定位同步段的条件为数据中出现Ν位电压差值为AV的交替电压紧跟Ν 位阶梯电压，其中Λν>α Χ2|χ|，2|χ|为平衡零差检测器检测相位相差νπ的相干态的正则 分量的最大差值，α为交替电压判定阈值。
7. 根据权利要求6所述的高速连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在 于，所述接收方判定帧同步段的条件为根据判定出位同步段后所生成的大小为2N的滑动 窗口中出现交替电压总次数11>3*2即β为帧同步段判定阈值。
8.根据权利要求6所述的高速连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在 于，所述高速连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法根据位同步段重复次数Κ和位同 步段中交替电压的交替次数Ν，计算出在高速连续变量量子密钥分发系统中通信双方实现 同步所需的实际时间t，实际时间的计算公式如下式 ： 丄 2N(K + 1) t = ^7^ 其中，f为系统的重复频率。
【文档编号】H04L9/08GK104065475SQ201410301263
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】刘友明, 汪超, 黄瑞, 黄鹏, 冯晓毅, 曾贵华 申请人:上海交通大学