连续变量量子密钥分发调制补偿系统及其实现方法与流程

本发明属于光纤量子通信技术领域，涉及一种基于正交频分复用的连续变量量子密钥分发调制补偿系统及其实现方法。

背景技术：

量子密钥分发能使两个远距离处在不可信任的量子信道中安全共享密钥，其安全性由量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理进行保证。目前量子密钥分发主要分为离散变量和连续变量两种类型。与离散变量量子密钥分发相比，连续变量量子密钥分发其量子态更容易制备，能融入现有的光纤系统中，且可以使用高效低成本的零差检测或者外差检测技术，这使得连续变量量子密钥分发系统更容易进入商业化领域。然而，连续变量量子密钥分发在长距离通信时协商效率较低，而且在可观的通信距离范围内其密钥率有待进一步提高。ofdm(正交频分复用，orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)在量子通信领域已经得到巨大发展。基于正交频分复用的连续变量量子密钥分发系统能有效提高量子通信网络的安全密钥率。但该方案也存在诸多不可避免的调制缺陷，例如在调制过程中出现的幅度不平衡和相位正交误差(i/q不平衡)等。因此，如何估量并补偿调制过程所产生的信号缺陷显得尤为重要。

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发调制补偿系统及其实现方法，解决了现有技术中正交频分复用的连续变量量子密钥分发系统中调制缺陷的问题。

本发明所采用的技术方案是，连续变量量子密钥分发调制补偿系统，包括：

量子密钥发送端，用于密钥生成，对量子信号进行调制，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端以及将调制过程出现的调制缺陷信号送至i/q校正补偿后处理模块；

量子密钥接收端，用于接收并检测量子信号，并将反馈信息传递给i/q校正补偿后处理模块；

i/q校正补偿后处理模块，用于采集量子密钥发送端发送的调制缺陷信号和量子秘钥接收端发送的反馈信息，采用最小均方算法检测i/q不平衡程度并进行纠正，最后达到对调制缺陷的补偿。

进一步的，所述量子密钥发送端包括：

脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；

分束器，用于将脉冲相干光分离为1％量子水平的信号光与99％量子水平的本振光；

射频ofdm发送端，用于将输入的二进制串行数据先经过正交调幅映射，再经过串并转换，由傅里叶变换加载到正交子载波上组成ofdm信号；

马赫-曾德调制器，用于将射频ofdm发送端发送的射频ofdm信号调制到分束器产生的1％量子光强度的光域上，信号光在马赫-曾德调制器的y分支器上被分成振幅和相位完全相同的两束光，并且随着光波导在上下两支路上进行传输，在调制过程中，马赫-曾德调制器不可避免地存在i/q不平衡的缺陷；

可调衰减器，用于将马赫-曾德调制器送至的信号光进行衰减至合适的光强水平，光强水平根据所处理的信号光的不同而进行设置，并将衰减过的信号光发送至偏振耦合器；

现场可编程门阵信号采集卡，用于接收马赫-曾德调制器的调制缺陷信号，并将其作为训练序列符号，发送至i/q校正和信道均衡；

偏振耦合器，用于将接收到的信号光和分束器分离的本振光耦合成一路量子信号，并通过量子信道传输至量子密钥接收端。

进一步的，所述量子密钥接收端包括：

ofdm解调器，用于对量子信道传递的光信号进行光信号转电信号操作，并通过ofdm解调器内部的模数转换器将信号进一步变成数字信号并进行快速傅里叶变换，再根据判决反馈得到的补偿量对信号进行处理，最后将信号解调后发送至偏振分束器；

偏振分束器，用于将ofdm解调器送至的量子信号分成10％的信号光与90％的本振光；

本振激光器，用于产生本振光，并与偏振分束器发送的信号光进行干涉，差分通过本振光和信号光通过的路径差来实现，并发送至零差探测器；

零差探测器，用于对接收到来自本振激光器产生的本振光与偏振分束器接收的信号光干涉而得到的相干光和从偏振分束器接收到的信号光进行零差检测，获得随机选择的正交分量的测量结果，并将检测结果发送至现场可编程门阵数据采集卡；

现场可编程门阵数据采集卡，用于将零差探测器采集到信号送至i/q校正和信道均衡，将其作为已知的反馈信号，求出当前时刻的iq不平衡参数和信道传输函数，用于下一个ofdm数据符号的iq矫正和信道均衡。

进一步的，所述基于i/q校正补偿后处理模块包括：

i/q校正和信道均衡，用于接收现场可编程门阵信号采集卡发送的训练序列符号和现场可编程门阵数据采集卡发送的已知反馈信号，运用最小均方算法估量调制信号不平衡程度，最后对得到的复数信号进行星座点判决，采用最近的值作为判决值，并计算相应补偿量送至判决反馈；

判决反馈，用于接收补偿量信息并传递给ofdm解调器。

进一步的，所述脉冲激光器的型号为thorlabsopg1015皮秒光脉冲发生器，马赫-曾德调制器的型号为bp-abc偏压控制器，现场可编程门阵信号采集卡由xilinxvc707与fmc176组合而成，偏振耦合器的型号为thorlabspbc980pm-fc偏振光束耦合器。

进一步的，所述零差探测器的型号为thorlabspda435a平衡放大光电探测器，现场可编程门阵数据采集卡由xilinxvc707与fmc176组合而成。

本发明所采用的另一技术方案是，连续变量量子密钥分发调制补偿系统的实现方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一、脉冲激光器产生脉冲相干光经过分束器分离成信号光与本振光；同时射频ofdm发送端将输入的串行数据先经过正交调幅映射，再经过串并转换，由傅里叶变换加载到正交子载波上组成ofdm信号，马赫-曾德调制器接收到来自射频ofdm发送端的多载波信号和来自分束器的量子光信号，并在马赫-曾德调制器中将射频ofdm信号调制到分束器产生的1％量子光强度的光域上，形成的若干副载波形式的光信号，调制过程不可避免的产生了i/q不平衡的缺陷，现场可编程门阵信号采集卡将接收到调制缺陷信号传输给i/q校正和信道均衡用以补偿调制缺陷；马赫-曾德调制器发送的信号光之后通过可调衰减器衰减至合适的光强水平，再与分束器发送的本振光在偏振耦合器中耦合，并通过量子信道发送至量子密钥接收端；

步骤二、在量子信号接收端，量子信号通过ofdm解调器恢复信号的调制状态，再经过偏振分束器分成信号光与本振光，信号光与本振激光器发出的本振光进行耦合并通过零差探测器进行检测并将检测结果送至现场可编程门阵数据采集卡，数据作为反馈信号由经典信道传输给i/q校正和信道均衡与现场可编程门阵信号采集卡的训练序列符号进行对比和检测；

步骤三、i/q校正补偿模块将现场可编程门阵信号采集卡采集到的信号送至i/q校正和信道均衡；i/q校正和信道均衡采用最小均方算法处理采集到的调制缺陷信号，再将得到的补偿后的结果传输给判决反馈，判决反馈将接收到的校正结果通过经典信道传输给量子信号接收端的ofdm解调器，用以对密钥分发调制补偿系统中马赫-曾德调制器出现的缺陷进行补偿。

本发明的有益效果是，现场可编程门阵列(fpga)信号采集卡采集基于正交频分复用技术的连续变量量子密钥分发的调制信号，运用i/q校正补偿后处理模块接收i/q调制信号，首先估计调制信号偏差，然后用最小均方算法对数据进行处理。处理后的数据流传递给判决反馈，在量子密钥接收端对信号进行解调和补偿。本发明具有实时反馈，补偿迟滞低的优点，利用i/q校正补偿后处理模块有效的降低了连续变量量子密钥分发中存在的调制缺陷对通信系统的影响，提高了通信的最大传输距离和系统安全密钥率。

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是本发明实施例的结构框图；

图2是本发明实施例的量子密钥发送端与量子密钥接收端的原理图。

图中，1.脉冲激光器，2.分束器，3.射频ofdm发送端，4.马赫-曾德调制器，5.可调衰减器，6.现场可编程门阵列(fpga)信号采集卡，7.偏振耦合器，8.ofdm解调器，9.偏振分束器，10.本振激光器，11.零差探测器，12.现场可编程门阵列(fpga)数据采集卡，13.i/q校正和信道均衡，14.判决反馈。

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。

基于正交频分复用的连续变量量子密钥分发调制补偿系统，如图1-2所示，包括：

量子密钥发送端，用于密钥生成，对量子信号进行调制，并将调制后的信号通过量子信道发送至量子密钥接收端以及将调制过程出现的调制缺陷信号送至i/q校正补偿后处理模块；

量子密钥接收端，用于接收并检测量子信号，并将反馈信息传递给i/q校正补偿后处理模块；

i/q校正补偿后处理模块，用于采集量子密钥发送端发送的调制缺陷信号和量子秘钥接收端发送的反馈信息，采用最小均方算法检测i/q不平衡程度并进行纠正，最后达到对调制缺陷的补偿。

量子密钥发送端包括：

脉冲激光器1，用于产生脉冲相干光；

分束器2，用于将脉冲相干光分离为1％量子水平的信号光与99％量子水平的本振光，且本振光对信号光有放大其强度的作用；

射频ofdm发送端3，用于将输入的二进制串行数据先经过正交调幅映射，再经过串并转换，由傅里叶变换加载到正交子载波上组成ofdm信号；

马赫-曾德调制器4，用于将射频ofdm发送端3发送的射频ofdm信号调制到分束器2产生的1％量子光强度的光域上，信号光在马赫-曾德调制器4的y分支器上被分成振幅和相位完全相同的两束光，并且随着光波导在上下两支路上进行传输，在调制过程中，由于受模拟器件的精度误差以及温飘等因素的影响，马赫-曾德调制器4不可避免地存在i/q不平衡的缺陷；

可调衰减器5，用于将马赫-曾德调制器4送至的信号光进行衰减至合适的光强水平，光强水平根据所处理的信号光的不同而进行设置，并将衰减过的信号光发送至偏振耦合器7；

现场可编程门阵信号采集卡6，用于接收马赫-曾德调制器4的调制缺陷信号，并将其作为训练序列符号，发送至i/q校正和信道均衡13；

偏振耦合器7，用于将接收到的信号光和分束器2分离的本振光耦合成一路量子信号，并通过量子信道传输至量子密钥接收端。

量子密钥接收端，包括：

ofdm解调器8，用于对量子信道传递的光信号进行光信号转电信号操作，并通过ofdm解调器8内部的模数转换器将信号进一步变成数字信号并进行快速傅里叶变换，再根据判决反馈14得到的补偿量对信号进行处理，最后将信号解调后发送至偏振分束器9；

偏振分束器9，用于将ofdm解调器8送至的量子信号分成10％的信号光与90％的本振光；

本振激光器10，用于产生本振光，并与偏振分束器9发送的信号光进行干涉，差分通过本振光和信号光通过的路径差来实现，并发送至零差探测器11；

零差探测器11，用于对接收到来自本振激光器10产生的本振光与偏振分束器9接收的信号光干涉而得到的相干光和从偏振分束器9接收到的信号光进行零差检测，获得随机选择的正交分量的测量结果，并将检测结果发送至现场可编程门阵数据采集卡12；

现场可编程门阵数据采集卡12，用于将零差探测器11采集到信号送至i/q校正和信道均衡13，将其作为已知的反馈信号，求出当前时刻的iq不平衡参数和信道传输函数，用于下一个ofdm数据符号的iq矫正和信道均衡。

基于i/q校正补偿后处理模块，包括：

i/q校正和信道均衡13，用于接收现场可编程门阵信号采集卡6发送的训练序列符号和现场可编程门阵数据采集卡12发送的已知反馈信号，运用最小均方算法估量调制信号不平衡程度，具体过程为，i/q校正和信道均衡13利用可编程门阵信号采集卡6上已知的训练序列符号的值和现场可编程门阵数据采集卡12上已知的反馈信号的值得到i/q不平衡参数g与信道传输函数的初始估计值h，然后，i/q校正和信道均衡13根据初始估计得到的g和h对ofdm数据符号进行i/q矫正和信道均衡，最后对得到的复数信号进行星座点判决，采用最近的值作为判决值，并计算相应补偿量送至判决反馈14；

判决反馈14，用于接收补偿量信息并传递给ofdm解调器8。

量子信道为单模光纤或自由空间形成的传输媒介，单模光纤衰减系数稳定，大约为0.2db/km，抗干扰能力强，成本较低；经典信道为经典无线、有线或光纤形成的传输媒介。

脉冲激光器1采用thorlabsopg1015皮秒光脉冲发生器，可产生小于等于3ps，频率为10ghz的激光脉冲。

马赫-曾德调制器4采用bp-abc偏压控制器，可支持普通单偏振强度调制器或iq调制器，提供spci标准控制指令，模拟、数字调制同时适用。

偏振耦合器7采用thorlabspbc980pm-fc偏振光束耦合器，将两束正交偏振光耦合入一根光纤中。高消光比(>18db)、低损耗(<2db)。

零差探测器11采用thorlabspda435a平衡放大光电探测器，共模抑制比大于20db,带宽可达350mhz。

现场可编程门阵信号采集卡6、现场可编程门阵数据采集卡12均由xilinxvc707与fmc176组合而成，能够灵活地改变时钟频率，能满足高速实时数据流传输，具有实时性好、速度快、精度高等特点。

一种连续变量量子密钥分发调制补偿系统的实现方法应用一种连续变量量子密钥分发调制补偿系统，具体按照以下步骤进行：

步骤一、脉冲激光器1产生脉冲相干光经过分束器2分离成信号光与本振光；同时射频ofdm发送端3将输入的串行数据先经过正交调幅映射，再经过串并转换，由傅里叶变换加载到正交子载波上组成ofdm信号，马赫-曾德调制器4接收到来自射频ofdm发送端3的多载波信号和来自分束器2的量子光信号，并在马赫-曾德调制器4中将射频ofdm信号调制到分束器2产生的1％量子光强度的光域上，形成的若干副载波形式的光信号，调制过程不可避免的产生了i/q不平衡的缺陷，现场可编程门阵信号采集卡6将接收到调制缺陷信号传输给i/q校正和信道均衡13用以补偿调制缺陷；马赫-曾德调制器4发送的信号光之后通过可调衰减器5衰减至合适的光强水平，再与分束器2发送的本振光在偏振耦合器7中耦合，并通过量子信道发送至量子密钥接收端；

步骤二、在量子信号接收端，量子信号通过ofdm解调器8恢复信号的调制状态，再经过偏振分束器9分成信号光与本振光，信号光与本振激光器10发出的本振光进行耦合并通过零差探测器11进行检测并将检测结果送至现场可编程门阵数据采集卡12，数据作为反馈信号由经典信道传输给i/q校正和信道均衡13与现场可编程门阵信号采集卡6的训练序列符号进行对比和检测；

步骤三、i/q校正补偿模块将现场可编程门阵信号采集卡12采集到的信号送至i/q校正和信道均衡13；i/q校正和信道均衡13采用最小均方算法处理采集到的调制缺陷信号，再将得到的补偿后的结果传输给判决反馈14，判决反馈14将接收到的校正结果通过经典信道传输给量子信号接收端的ofdm解调器8，用以对密钥分发调制补偿系统中马赫-曾德调制器4出现的缺陷进行补偿。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

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。