一种适用于连续变量量子密钥分发的高精度高斯调制方法与流程

本发明涉及量子密钥分发信源技术，特别涉及基于连续变量量子密钥分发系统的调制技术，尤其是一种适用于连续变量量子密钥分发系统幅度调制技术。

背景技术：

量子密钥分发作为一种被广泛应用的量子信息技术，可以使通信双方实现无条件安全的密钥分发。连续变量量子密钥分发具有潜在的高码率，光源易于制备以及探测效率高等优点得到广泛的关注，相关技术发展迅速，目前进入开始实用化的研究阶段。连续变量密钥分发的无条件安全性已经从理论上得到了证明，但是在实际应用中，系统和器件的不完美会导致安全密钥率的下降甚至产生安全漏洞被窃听者利用。

连续变量量子密钥分发使用压缩态或相干态作为光源，发送者Alice将高斯分布的随机密钥加载到光场的正则分量上，光场的正则分量无法直接调制，需要将其转化到幅度和相位等可以直接进行调制的物理量上。X分量和p分量分别为光场的正则分量，它们互相独立并且都服从高斯分布

由于x分量和p分量相互独立，所以联合分布为

令x＝Acosθ，p＝Asinθ，其中A表示对信号光场的幅度，θ表示光场的相位，将联合分布改写为极坐标形式

可以看出，只要对光场的幅度进行瑞利分布的调制，相位进行均分布的调制，就可以实现对正则分量的高斯调制。

在实际的调制过程中，由于幅度调制器的响应是非线性的，所以将瑞利分布的数据直接加载在幅度调制器得到的调制响应并不符合瑞利分布，相比于调制数据产生误差，增加了信源的噪声，在接收端的平衡零差探测中，得到的实际测试结果与高斯分布产生偏差，导致系统的安全性与性能都受到一定影响。幅度调制器的另一重要参数为直流偏置，直流偏置产生一定的偏差时，调制结果会偏离瑞利分布。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了降低由于幅度调制器非线性和直流偏置误差产生的调制响应分布的偏差，我们提出一种适用于连续变量量子密钥分发的幅度调制方案，通过对幅度调制数据的修正和直流偏置电压的标定，提高瑞利分布调制数据响应的精度，实现连续变量量子密钥分发的高精度高斯调制。

(二)技术方案

本发明提供了一种适用于连续变量量子密钥分发的幅度调制方法，包括三个步骤：

步骤1：幅度调制数据修正；

步骤2：直流偏置电压标定；

步骤3：数据相位调制。

上述步骤按顺序依次进行。

所述幅度调制数据修正步骤是指通过强度调制相应对数据进行预先处理，对强度调制数据进行修正，包括如下步骤：

步骤1a：将光脉冲序列输入幅度调制器；

步骤1b：选取合适的测试序列信号，加载在幅度调制器上，调节直流偏置电压，获取合适的响应曲线；

步骤1c：使用高灵敏度低噪声的光电探测器采集幅度调制输出信号，使用高精度的数据采集卡采集光电探测器的输出信号；

步骤1d：对采集卡获得的输出信号进行高阶多项式的曲线拟合获得高精度的响应曲线表达式；

步骤1e：利用实际响应表达式计算理想响应，修正幅度调制数据。

所述步骤1a中使用的光脉冲序列应与所适用的连续变量量子密钥分发系统一致。

所述步骤1b中所选取的测试信号为0到幅度调制数据的最大值(最大值应小于幅度调制器半波电压，保证调制数据与调制结果的一一对应)，与调制信号同频率，同占空比的阶梯信号，通过调节直流偏置电压，获取的响应结果应为一条由0到最大值单调递增的曲线。

所述步骤1d中获得高精度响应曲线表达式的方法为：

幅度调制器测试数据序列响应的测量结果为一条单调递增的曲线，使用高阶多项式线对响应曲线拟合，获得响应曲线表达式

A＝k1V+k2V²+k3V³+...knVⁿ

其中，V表示调制数据对应的输出电压，A表示调制数据响应的测量值。根据精度的需求对多项式保留不同阶数，就可以获得不同精度的响应曲线表达式。

所述步骤1e中调制数据的计算方法为：

测试数据序列的电压最小值为0，对应的调制输出结果为0，测试序列的电压最大值为Vmax，对应的调制输出结果为Amax，则调制器理想线性响应的表达式为

A′＝kV

A′表示调制数据的理想线性响应。

将理想线性表达式与步骤1d中获得的响应曲线表达式联立求解

kVm＝k1V+k2V²+k3V³+...knVⁿ

其中Vm为瑞利分布的随机调制数据，方程的解V(V＞0)为实际需要加载在幅度调制上的幅值。

所述步骤直流偏置电压标定是指通过参考电压对强度调制的直流偏置进行标定，包括如下步骤：

步骤2a：从调制数据中选取三个作为标定电压。

步骤2b：根据响应曲线表达式计算对应的标定调制输出。

步骤2c：将标定数据按照一定比例加入调制数据序列。

步骤2d：用加入标定数据的调制数据序列对光脉冲调制。

步骤2e：调节直流偏置电压，使三个标定数据的响应与计算的标定调制输出一致。

所述步骤2a中标定电压可以从调制数据中随机选取，推荐响应区别较大的调制数据。

所述步骤2d中的光脉冲为连续变量量子密钥分发的光脉冲。

所述步骤3中的数据相位调制是使用均匀分布的相位数据对经过幅度调制的数据进行调制。

(三)有益效果

1.本发明可以提高瑞利分布调制数据响应的精度，实现连续变量量子密钥分发的高精度高斯调制。

2.本发明数据修正过程利用简单的多项式对应关系，不影响原系统的性能与正常运行。

附图说明

图1为调制器响应与调制电压对应关系示例

图2为调制器理想响应与实际响应对应关系示例

具体实施方式

本发明通过对幅度调制数据的修正和直流偏置电压的标定，提高瑞利分布调制数据响应的精度，实现连续变量量子密钥分发的高精度高斯调制。具体步骤如下：

1.将光脉冲序列输入幅度调制器，选取合适的测试序列信号(如示例图中选取0到2V)，加载在幅度调制器上，调节直流偏置电压，使0电平的输出响应为0，获取合适的响应曲线。

2.使用高灵敏度低噪声的光电探测器采集幅度调制输出信号，使用高精度的数据采集卡采集光电探测器的输出信号，对采集卡获得的输出信号进行高阶多项式的曲线拟合获得高精度的响应曲线表达式。幅度调制器测试数据序列响应的测量结果为一条单调递增的曲线，使用高阶多项式线对响应曲线拟合，获得响应曲线表达式

A＝k1V+k2V²+k3V³+...knVⁿ

其中，V表示调制数据对应的输出电压，A表示调制数据响应的测量值。根据精度的需求对多项式保留不同阶数，就可以获得不同精度的响应曲线表达式。

3.利用实际响应表达式计算理想响应，将理想的电压与响应输出的线性对应关系修正为实际的非线性对应关系，从而修正幅度调制数据。测试数据序列的电压最小值为0，对应的调制输出结果为0，测试序列的电压最大值为Vmax，对应的调制输出结果为Amax，则调制器理想线性响应的表达式为

A′＝kV

A′表示调制数据的理想线性响应。

将理想线性表达式与步骤1d中获得的响应曲线表达式联立求解

kVm＝k1V+k2V²+k3V³+...knVⁿ

其中Vm为瑞利分布的随机调制数据，方程的解V(V＞0)为实际需要加载在幅度调制上的幅值。

4.从调制数据中选取三个作为标定电压V1，V2，V3，参照示例图可选取0.4V，1.2V，1.6V。根据响应曲线表达式计算对应的标定调制输出A1，A2，A3。将标定数据按照1/99的比例加入调制数据序列前部。用加入标定数据的调制数据序列对光脉冲调制。调节直流偏置电压，使三个标定数据V1，V2，V3的响应与计算的标定数据调制输出A1，A2，A3一致。

5.使用均匀分布的数据对幅度调制后的数据脉冲进行相位调制。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。