连续变量量子密钥分配系统的偏振补偿实现装置及其方法与流程

本发明属于量子密钥分发技术领域，涉及一种基于双向调制相干态的连续变量量子密钥分配系统的偏振补偿实现装置及其偏振补偿实现方法。

背景技术：

社会进入信息化时代，互联网日益发展，人们的生活和工作已经与网络密不可分，特别是近年来电子政务、电子商务、电子金融等广泛的兴起，在给人们提供极大便利的同时，对信息的安全性也提出挑战，因此量子密码学理论和技术已经成为信息科学与技术的一个重要的研究领域。

量子通信有如下主要特点：(1)信息效率高量子信道中光量子的信息效率比经典信道中光子的信息效率要高几十倍。(2)在同等条件下，获得可靠通信所需信噪比低。(3)量子隐形传态非局域性，且与传播媒质无关。在对量子纠缠对中的一个光量子进行操作的同时，另外一个处于纠缠态的量子的态也会发生相应的变化，这说明作为信息载体的物理量子本身并没有被传送，所送的是量子的态。(4)具有窃读可知性，通信保密性好。根据量子不可克隆的特点，信息的量子比特或量子位一经检测就会产生不可还原的改变。用量子位传递加密信息若在到达预定接收者之前途中被窃取，预定接收者肯定能够发现。(5)无电磁波辐射，通信隐蔽性好。量子通信是没有经典意义上的电磁辐射的，无论现有的无线电探测系统性能如何先进，对量子通信这种完全电磁静默的通信目标是无能为力的。所以量子通信是隐身通信的极好选择。

当前，量子密码通信已从理论研究逐步走向实际应用。根据实现方式的不同，主要分为离散变量量子密钥分发系统和连续变量密钥分发系统。其中，离散变量量子密钥分发系统(dvqkd)是通过单光子来实现的。连续变量量子密钥分发系统(cvqkd)比离散变量要晚一些，与离散变量不同的是，连续变量将信息编码在连续的正则分量上，在每个比特上能够比离散变量编码更多的信息。采用的广元可以使相干态、压缩态或者纠缠态。

基于高斯调制相干态(gmcs)的方法是cvqkd系统的一个典型方法，并且这种方案已经通过实验实现。在以往的gmcs方案中，发送端产生一束信号光和一束本地本振光，然后将两束光同时送入信道，因此两束光在光纤中产生的偏振就是一致的。在接收端，接收方可以利用发送方发送的本地本振光对信号进行恢复。但是gmcs方案的一个最大缺点就是，本振光和信号光在信道中传输时，攻击者可以利用发送方发送的本振光进行截取重发攻击，从而降低系统的安全性。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供一种连续变量量子密钥分配系统的偏振补偿实现装置，推进了连续变量量子密码的实用化，同时能有效抑制在量子通信过程中量子信号所受到的环境干扰以及人为攻击，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是提供上述连续变量量子密钥分配系统的偏振补偿实现装置的偏振补偿实现方法。

本发明所采用的技术方案是，连续变量量子密钥分配系统的偏振补偿实现装置，包括发送方和接收方，所述发送方包括：

激光器，用于产生脉冲激光，并发送至第一分束器；

第一分束器，用于将激光器产生的脉冲激光分为两束，10％的一束作为信号光，90％的一束作为本振光；

第一偏振分束器，用于将本振光进行反射；

相位调制器，用于将通过第一偏振分束器的本振光进行相位调制，并发送至第四分束器；

强度调制器，用于将第一分束器产生的信号光进行幅度调制，然后发送至衰减器；

衰减器，用于将接收到的信号光能量进行衰减至量子水平，并发送至隔离器；

隔离器，用于保证信号稳定，避免在传输过程中遇到的干扰；

第二偏振分束器，用于将通过隔离器的信号光透射后，送入量子信道；且将接收端返回的信号光通过第二偏振分束器反射送至第四分束器；

第四分束器，用于将信号光与本振光输入至其两个接口，然后进行零差检测；

所述接收方包括：

第二分束器，用于将从信道传输过来的信号光分成两束；

光检测器，用于将第二分束器分离的一束光进行零差检测，实时监测调制方差的大小；

衰减器，用于将第二分束器分离的另一束光能量进行衰减至量子水平，并发送至第三分束器；

第三分束器，用于将通过衰减器的信号光分成两束，分别通过相应的相位调制器和法拉第镜，通过法拉第镜反射回来的两束光再次通过第三分束器合成一束光；

相位调制器，用于将第三分束器分离的两束光分别进行相位调制，并发送至法拉第镜；

法拉第镜，用于将光进行反射。

进一步的，所述激光器为连续激光器。

本发明所采用的另一技术方案是，连续变量量子密钥分配系统的偏振补偿实现装置的偏振补偿实现方法，按照以下步骤进行：

步骤a，连续变量初始密钥分发步骤：发送方将激光器产生的激光脉冲经过光纤通道进行远距离传输后由接收方接收，接收方进行双向调制后送回发送方；

步骤b，连续变量密钥测量步骤：发送方对接收到的量子信号进行零差测量，通过纠错及保密增强，获得最终安全的密钥。

进一步的，所述步骤a为：

步骤a1，发送方及接收方对系统进行通信初始化，包括对系统中的信源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化；

步骤a2，发送方用激光器产生脉冲激光，经第一分束器分为两束，占总能量10％的一束作为信号光，90％的一束作为本振光；

步骤a3，发送方产生的本振光通过第一偏振分束器，并对本振光进行相位调制，然后再通过第四分束器；

步骤a4，发送方产生的信号光经过强度调制器幅度调制后，通过衰减器衰减到量子水平；

步骤a5，发送方产生的信号光再通过隔离器，信号光经过第二偏振分束器后送入量子信道；

步骤a6，在接收端，信号光首先经过第二分束器，光检测器通过检测其中的一束光来实时监测调制方差的大小；另一束光经过衰减器后将由接收方利用双向高斯调制进行编码后送回原信道。

进一步的，所述步骤a6为：

步骤a6.1，经过第二分束器的一束光由光检测器来实时监测调制方差的大小；

步骤a6.2，经过第二分束器的另一束光，先经过一个衰减器后，再通过第三分束器；

步骤a6.3，通过第三分束器的两束光，分别进行相位调制器，然后分别利用法拉第镜将这两束光反向，再送回原信道。

进一步的，所述步骤b为：

步骤b1，信号光经过量子信道返回发送方的一端后，通过第二偏振分束器；

步骤b2，信号光与发送方一端的本振光输入50:50的第四分束器两个接口，通过第四分束器后，进行零差检测；

步骤b3，通信双方通过纠错及保密增强，获得最终安全的密钥。

进一步的，零差检测器为pdb450c型号。

本发明的有益效果是：针对于上述问题，提出了一种改进的方法。在发送端，发送方用激光器产生脉冲激光，经分束器分为两束，10％的一束作为信号光，90％的一束作为本振光，并且这束本振光并不送入信道。在接收端接收方对接收到的信号光进行双相位调制后送回原信道。最后信号光与发送方一端的本振光通过分束器后，进行零差检测。在本方法中，信道中并没有传送发送方产生的本地本振光，这样就避免了可能存在的截取重发攻击。同时在接收端，接收方利用两个法拉第镜进行双相位调制，这一操作可以对信号光进行偏振补偿。因此，通过零差检测、纠错和保密增强后，可以恢复出原信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例偏振补偿实现装置的原理图。

图2是本发明实施例偏振补偿实现装置的光路图。

图中：1为激光器，am为强度调制器，pm为相位调制器，pd为光检测器，attenuator为衰减器，pbs1为第一偏振分束器，pbs2为第二偏振分束器，bs1为第一分束器，bs2为第二分束器，bs3为第三分束器，bs4为第四分束器，fm为法拉第镜，x、p为相干态的两个正则分量，isolator为隔离器。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。

连续变量量子密钥分配系统的偏振补偿实现装置，结构如图2所示，包括发送方和接收方，其中发送方包括：

激光器1，用于产生脉冲激光，并发送至第一分束器bs1；

第一分束器bs1，用于将激光器1产生的脉冲激光分为两束，10％的一束作为信号光，90％的一束作为本振光；

第一偏振分束器pbs1，用于将本振光进行反射。偏振分束器工作原理：透射平行偏振态光，反射垂直偏振态光。

相位调制器pm，用于将通过第一偏振分束器pbs1的本振光进行相位调制，并发送至第四分束器bs4；

强度调制器am，用于将第一分束器bs1产生的信号光进行幅度调制，然后发送至衰减器attenuator；

衰减器attenuator，用于将接收到的信号光能量进行衰减至量子水平，并发送至隔离器isolator；

隔离器isolator，用于保证信号稳定，避免在传输过程中遇到的干扰。

第二偏振分束器pbs2，用于将通过隔离器的信号光透射后，送入量子信道；且将接收端返回的信号光通过第二偏振分束器pbs2反射送至第四分束器bs4；

第四分束器bs4，用于将信号光与本振光输入至其两个接口，然后进行零差检测；

其中，接收方包括：

第二分束器bs2，用于将从信道传输过来的信号光分成两束。通过检测其中的一束光来实时监测调制方差的大小；另一束光则继续发送给衰减器。

光检测器pd，用于将第二分束器bs2分离的一束光进行零差检测，实时监测调制方差的大小；

衰减器attenuator，用于将第二分束器bs2分离的另一束光能量进行衰减至量子水平，并发送至第三分束器bs3；经过第三分束器bs3反射回的光此时已经衰减至量子水平，再次通过衰减器不会再产生影响。

第三分束器bs3，用于将通过衰减器的信号光分成两束，分别通过相应的相位调制器和法拉第镜，通过法拉第镜反射回来的两束光再次通过第三分束器合成一束光。

相位调制器pm，用于将第三分束器bs3分离的两束光分别进行相位调制，并发送至法拉第镜fm；经过法拉第镜fm后的信号光已经是调制了的信号光，所以此时相位调制器不再起作用。

法拉第镜fm，用于将光进行反射；

其中，激光器为连续激光器。

连续变量量子密钥分配系统的偏振补偿实现方法，如图1、2所示，具体按照以下步骤进行：

步骤a：连续变量初始密钥分发步骤，具体为：发送方将激光器产生的激光脉冲经过光纤通道进行远距离传输后由接收方接收，接收方进行双向调制后送回发送方；

步骤b：连续变量密钥测量步骤，是指发送方对接收到的量子信号进行零差测量，通过纠错及保密增强，获得最终安全的密钥。

优选的，步骤a包括如下步骤：

步骤a1：发送方及接收方对系统进行通信初始化，包括对系统中的信源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化；

步骤a2：发送方用激光器产生脉冲激光，经第一分束器bs1分为两束，占总能量10％的一束作为信号光，90％的一束作为本振光；

步骤a3：发送方产生的本振光通过第一偏振分束器pbs1，并对本振光进行相位调制，然后再通过第四分束器bs4；

步骤a4：发送方产生的信号光经过强度调制器幅度调制后，通过衰减器衰减到量子水平；

步骤a5：发送方产生的信号光再通过隔离器，信号光经过第二偏振分束器pbs2后送入量子信道；

步骤a6：在接收端，信号光首先经过第二分束器bs2，光检测器pd通过检测其中的一束光来实时监测调制方差的大小；另一束光经过衰减器后将由接收方利用双向高斯调制进行编码后送回原信道。

优选的，步骤a6包括如下步骤：

步骤a6.1：经过第二分束器bs2的一束光由光检测器pd来实时监测调制方差的大小；

步骤a6.2：经过第二分束器bs2的另一束光，先经过一个衰减器后，再通过第三分束器bs3；

步骤a6.3：通过第三分束器bs3的两束光，分别进行相位调制器pm，然后分别利用法拉第镜将这两束光反向，再送回原信道。

优选的，步骤b包括如下步骤：

步骤b1：信号光经过量子信道返回发送方的一端后，通过第二偏振分束器pbs2；

步骤b2：信号光与发送方一端的本振光输入50:50的第四分束器bs4两个接口，通过第四分束器bs4后，进行零差检测；

步骤b3：通信双方通过纠错及保密增强，获得最终安全的密钥。

其中零差检测为现有技术，零差检测器可选thorlabs公司的产品pdb450c。

实施例

首先发送方及接收方对系统进行通信初始化，包括对系统中的信源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化。发送方用激光器产生脉冲激光，经第一分束器bs1分为两束，10％的一束作为信号光，90％的一束作为本振光。其中信号光通过一个高消光比强度调制器(am)对连续激光进行切割产生2mhz的脉冲信号。信号光经过调制器后，通过衰减器衰减到量子水平，再通过第二偏振分束器pbs2后送入量子信道。

在接收端，接收方用两个法拉第镜组成的偏振补偿装置对接收到的信号光进行双向调制。接收方通过相位调制对相干态的正则分量进行编码调制，使信号光服从一个均值为零的高斯分布。之后，经过双相位高斯调制的信号被送回原信道。发送方将从信道返回的信号光通过第二偏振分束器pbs2，与本振光输入50:50的第四分束器bs4两个接口后，随后接入标定的零差检测器进行检测。在该实验方案中，为了防止特洛伊木马攻击及散粒噪声方差标度攻击，在光路中加入了隔离器及零差检测器用于监控系统。系统还可以通过添加滤波器等器件实现其他攻击的防御，如使用滤波片防御波长攻击。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。