往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿方法及其系统与流程

本发明属于量子通信领域，具体涉及一种往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿方法及其系统。

背景技术：

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，数据安全性已经成为了人们越来越关注的内容。随着信息技术的发展，越来越多的保密信息通过网络传输，尤其是互联网金融、电子商务等的迅速兴起，使人们对信息安全提出了更高的要求，而随着计算机技术的发展，基于传统密码学的密码的安全性正在逐渐降低，尤其是量子计算机的发展，可能使得现有传统密码学技术失效，因此量子密码学理论和技术成为当下研究的热点领域。

量子密钥分发技术可以使得合法的通信双方共享无条件安全的密钥，其无条件安全性基于不可克隆原理和测不准原理的物理理论，而非传统密码学的数学理论。当前量子密钥分发技术主要有离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发两种，其中离散变量将信息加载在单光子中，而连续变量将信息加载在光场的正则分量中，每比特能编码更多信息。相比离散变量，连续变量技术具有量子态易制备、检测技术成本低且高效等优点，因此更容易实用化。

往返式连续变量量子密钥分配方法是近年来提出的一种方法，这种方法不需要传输本振光，因此能够避免由于本振光传输造成的攻击漏洞，如重放攻击等。同时，基于双相位调制(dpmcs)的调制方法利用了相位调制器的偏振不敏感特性，因此相干态的制备不会受到光纤通道偏振漂移的影响。然而，与传统单向高斯调制相干态方法相比，往返式双相位调制的方法会引入不可信源噪声，导致系统的性能下降，从而影响了系统的稳定可靠运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够稳定提升系统性能，而且可靠性高、实用性好且安全稳定的往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿方法。

本发明的目的之二在于提供一种实现所述往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿方法的系统。

本发明提供的这种往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿方法，包括如下步骤：

s1.发送方产生第一激光脉冲，对第一激光脉冲进行第一处理，并将处理后得到的第一光信息发送到接收方；

s2.接收方接收到第一光信息后，对第一光信息进行第二处理，并将处理后得到的第二光信息发回给发送方；

s3.接收方产生第三激光脉冲，对第三激光脉冲进行第三处理，并将处理后得到的第三光信息发送到发送方；

s4.发送方根据接收的第二光信息和第三光信息，以及步骤s1得到的第一光信息，进行光电探测，从而得到光电探测结果；

s5.根据步骤s4得到的光电探测结果，进行不可信源噪声估计，得到噪声补偿结果，并将噪声补偿结果发送给接收方；

s6.接收方根据接收的噪声补偿结果，在后续的发送方与接收方之间的量子通信中进行噪声补偿，从而完成往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿。

所述的往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿方法，还包括如下步骤：

s7.经过若干时间后，发送方和接收方重复步骤s1～s5，从而对噪声补偿结果进行更新。

步骤s1所述的发送方产生第一激光脉冲，对第一激光脉冲进行第一处理，并将处理后得到的第一光信息发送到接收方，具体包括如下步骤：

a.发送方产生第一激光脉冲，并通过分束器分为10％的第一激光脉冲信号光和90％的第一激光脉冲本振光；

b.步骤a得到的第一激光脉冲信号光衰减至量子水平，再通过偏振和分束后，送入量子信道并发送给接收方。

步骤s2所述的接收方接收到第一光信息后，对第一光信息进行第二处理，并将处理后得到的第二光信息发回给接收方，具体包括如下步骤：

a.接收方接收到第一光信息后，对第一光信息进行衰减后送入双相位调制器；

b.接收方采用高斯随机数生成器生成第一高斯随机数；

c.双相位调制器将步骤b生成的第一高斯随机数与步骤a接收到的衰减后的光信息进行调制，并将调制后的光信息再次经过衰减和分束后得到第二光信息，通过量子信道发回给接收方。

步骤s3所述的接收方产生第三激光脉冲，对第三激光脉冲进行第三处理，并将处理后得到的第三光信息发送到发送方，具体包括如下步骤：

(1)接收方产生第三激光脉冲，并通过分束器分为10％的第三激光脉冲信号光和90％的第三激光脉冲本振光；

(2)双相位调制器根据高斯随机数生成器生成的第二高斯随机数对经过衰减后的第三激光脉冲信号光进行双相位调制，并将调制后的第三激光脉冲信号光衰减至量子水平，第二高斯随机数与第一高斯随机数相等；

(3)接收方将步骤(1)得到的第三激光脉冲本振光与步骤(2)得到的量子水平的调制后的第三激光脉冲信号光进行耦合，将耦合后的光信息通过分束器得到第三光信息，并将第三光信息通过量子信道发送给发送方。

步骤s4所述的发送方根据接收的第二光信息和第三光信息，以及步骤s1得到的第一光信息，进行光电探测，从而得到光电探测结果，具体包括如下步骤：

1)发送方将接收到的第二光信息，通过偏振分束后，再与步骤a得到的第一激光脉冲本振光进行干涉得到第一干涉光；

2)对步骤1)得到的第一干涉光进行光电探测，并得到第一探测数据x1和p1；

3)发送方将接收到的第三光信息，通过偏振和分束后，得到第三光信息信号光和第三光信息本振光，并将第三光信息信号光和第三光信息本振光通过分束器进行干涉后得到第二干涉光；

4)对步骤3)得到的第二干涉光进行光电探测，并得到第二探测数据x2和p2；

5)步骤2)得到的第一探测数据和步骤4)得到的第二探测数据，一同构成了光电探测结果。

步骤s5所述的根据步骤s4得到的光电探测结果，进行不可信源噪声估计，得到噪声补偿结果，具体为采用如下步骤进行得到噪声补偿结果：

将步骤s4所得第一探测数据x1(p1)和第二探测数据x2(p2)输入到训练完成的反向传播神经网络模型中，得到不可信源噪声估计值xn和pn。

所述的反向传播神经网络模型，具体包含70个隐藏层，学习率为0.2，训练迭代次数为4000；训练数据包括与步骤s4使用相同方法得到的探测结果xt1(pt1)、xt2(pt2)以及人为设置的不可信源噪声xtn和ptn。

步骤s6所述的接收方根据接收的噪声补偿结果，在后续的发送方与接收方之间的量子通信中进行噪声补偿，具体为采用如下步骤进行噪声补偿：

ⅰ.接收方双相位调制器得到接收方高斯随机数生成器生成的随机数xb和pb，以及步骤s5得到的不可信源噪声估计值xn和pn，得到调制参数的补偿值x'b＝xb-xn和p'b＝pb-pn；

ⅱ.接收方双相位调制器根据步骤ⅰ得到的调制参数的补偿值x'b和p'b，进行双相位调制；调制结果为xm＝x'b+xrn和pm＝p'b+prn，其中xrn和prn为实际不可信源噪声。

本发明还提供了一种实现所述往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿方法的系统，包括发送端子系统、接收端子系统和噪声估计系统；发送端子系统包括发送方脉冲激光器、发送方第一分束器、发送方第一可调衰减器、发送方第一偏振分束器、发送方第二分束器、发送方第二偏振分束器、发送方第三分束器、发送方第四分束器和发送方光电探测器；接收端子系统包括接收方第一分束器、接收方偏振耦合器、接收方第一可调衰减器、接收方双相位调制器、接收方高斯随机数生成器、接收方脉冲激光器和接收方偏振分束器；发送方脉冲激光器的输出端连接发送方第一分束器；发送方第一分束器的第一输出端的第一输出端连接发送方第一可调衰减器的输入端，发送方第一分束器的第二输出端连接发送方第四分束器的第一输入端；发送方第一可调衰减器的输出端连接发送方第一偏振分束器的第一输入端；发送方第一偏振分束器的第一输出端连接发送方第二分束器的第一输入端；发送方第二分束器的第一输出端连接接收端子系统；发送方第二分束器的第二输入端连接接收端子系统；发送方第二分束器的第二输出端连接发送方第二偏振分束器，发送方第二分束器的第三输出端连接发送方第一偏振分束器的第二输入端；发送方第一偏振分束器的第二输出端连接发送方第四分束器的第二输入端；发送方第二偏振分束器的第一输出端连接发送方第三分束器的第一输入端；发送方第二偏振分束器的第二输出端连接发送方第三分束器的第二输入端；发送方第四分束器的输出端连接发送方光电探测器的第一输入端，发送方第三分束器的输出端连接发送方光电探测器的第二输入端；发送方光电探测器的输出端连接噪声估计系统的输入端；接收方第一分束器的第一输入端连接发送端子系统；接收方第一分束器的第一输出端连接接收方第一可调衰减器的第一输入端，接收方第一可调衰减器的第一输出端连接接收方双相位调制器的第二输入端；接收方高斯随机数生成器的输出端连接接收方双相位调制器的第三输入端；接收方脉冲激光器的输出端连接接收方偏振分束器的输入端，接收方偏振分束器的第一输出端连接接收方双相位调制器的第四输入端，接收方双相位调制器的第二输出端连接发送方第一可调衰减器的第二输入端，接收方双相位调制器的第三输出端连接发送方第一可调衰减器的第三输入端；接收方第一可调衰减器的第二输出端连接接收方第一分束器的第二输入端；接收方第一可调衰减器的第三输出端连接接收方偏振耦合器的第一输入端；接收方偏振分束器的第二输出端连接接收方偏振耦合器的第二输入端；接收方偏振耦合器的的输出端连接接收方第一分束器的第三输入端；接收端第一分束器的第二输出端连接发送端子系统；噪声估计系统的输出端连接接收方双相位调制器的第一输入端；发送方脉冲激光器用于产生第一激光脉冲，并通过发送方第一分束器分为两束，10％的一束光为信号光并通过发送方第一可调衰减器衰减至量子水平后，再通过发送方第一偏振分束器和发送方第二分束器透射后进入量子信道，发送给接收端子系统；发送方第一分束器输出的90％的一束光为本振光并送入发送方第四分束器；接收端子系统接收到发送端子系统发送的第一光信息后，通过接收方第一分束器接收，并通过接收方第一可调衰减器衰减后送入接收方双相位调制器；接收方双相位调制器根据接收方高斯随机数生成器生成的高斯随机数对光信号进行高斯调制，并将调制后的信号光经过反射后通过接收方第一可调衰减器和接收方第一分束器透射进入量子信道，发回给发送端子系统；发送端子系统接收到接收端子系统发送的第二光信息后，通过发送方第二分束器透射后进入发送方第一偏振分束器，经过发送方第一偏振分束器透射后进入发送方第四分束器，并通过发送方第一分束器与发送方第一分束器输出的本振光进行干涉后，输入发送方光电探测器；接收端子系统同时通过接收方脉冲激光器产生第三激光脉冲，通过接收方偏振分束器分为两束：10％的一束作为信号光通过衰减后送入接收方双相位调制器进行双相位调制后，再通过接收方第一可调衰减器衰减至量子水平，并送入接收方偏振耦合器；90％的一束作为本振光直接送入接收方偏振耦合器；接收方偏振耦合器将接收到的两束光信息进行耦合后，再通过接收方第一分束器透射进入量子信道，发送给发送端子系统；发送端子系统通过发送方第二分束器透射进入发送方第二偏振分束器；发送方第二偏振分束器将接收到的光信号分为信号光和本振光后，再通过发送方第三分束器干涉后送入发送方光电探测器；发送方光电探测器根据接收到的数据进行零差探测，并将零差探测结果上传噪声估计系统；噪声估计系统采用机器学习方法进行噪声估计，得到噪声补偿结果并发送给接收端子系统；接收端子系统根据接收到的噪声补偿结果进行噪声补偿。

所述的噪声估计系统和发送端子系统均设置在发送端内部。

本发明提供的这种往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿方法及其系统，采用往返式通信的步骤，实现了对不可信源噪声的估计，从而使得接收端子系统能够根据估计得到的噪声补偿结果进行噪声补偿；因此，本发明能够对不可信源噪声进行估计和补偿，从而稳定提升系统性能，而且可靠性高、实用性好且安全稳定。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程示意图。

图2为本发明系统的系统功能模块图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿方法，包括如下步骤：

s1.发送方产生第一激光脉冲，对第一激光脉冲进行第一处理，并将处理后得到的第一光信息发送到接收方；具体包括如下步骤：

a.发送方产生第一激光脉冲，并通过分束器分为10％的第一激光脉冲信号光和90％的第一激光脉冲本振光；

b.步骤a得到的第一激光脉冲信号光衰减至量子水平，再通过偏振和分束后，送入量子信道并发送给接收方；

s2.接收方接收到第一光信息后，对第一光信息进行第二处理，并将处理后得到的第二光信息发回给发送方；具体包括如下步骤：

a.接收方接收到第一光信息后，对第一光信息进行衰减后送入双相位调制器；

b.接收方采用高斯随机数生成器生成第一高斯随机数；

c.双相位调制器将步骤b生成的第一高斯随机数与步骤a接收到的衰减后的光信息进行调制，并将调制后的光信息再次经过衰减和分束后得到第二光信息，通过量子信道发回给接收方；

s3.接收方产生第三激光脉冲，对第三激光脉冲进行第三处理，并将处理后得到的第三光信息发送到发送方；具体包括如下步骤：

(1)接收方产生第三激光脉冲，并通过分束器分为10％的第三激光脉冲信号光和90％的第三激光脉冲本振光；

(2)双相位调制器根据高斯随机数生成器生成的第二高斯随机数对经过衰减后的第三激光脉冲信号光进行双相位调制，并将调制后的第三激光脉冲信号光衰减至量子水平，第二高斯随机数与第一高斯随机数相等；

(3)接收方将步骤(1)得到的第三激光脉冲本振光与步骤(2)得到的量子水平的调制后的第三激光脉冲信号光进行耦合，将耦合后的光信息通过分束器得到第三光信息，并将第三光信息通过量子信道发送给发送方；

s4.发送方根据接收的第二光信息和第三光信息，以及步骤s1得到的第一光信息，进行光电探测，从而得到光电探测结果；具体包括如下步骤：

1)发送方将接收到的第二光信息，通过偏振分束后，再与步骤a得到的第一激光脉冲本振光进行干涉得到第一干涉光；

2)对步骤1)得到的第一干涉光进行光电探测，并得到第一探测数据x1和p1；

3)发送方将接收到的第三光信息，通过偏振和分束后，得到第三光信息信号光和第三光信息本振光，并将第三光信息信号光和第三光信息本振光通过分束器进行干涉后得到第二干涉光；

4)对步骤3)得到的第二干涉光进行光电探测，并得到第二探测数据x2和p2；

5)步骤2)得到的第一探测数据和步骤4)得到的第二探测数据，一同构成了光电探测结果；

s5.根据步骤s4得到的光电探测结果，进行不可信源噪声估计，得到噪声补偿结果，并将噪声补偿结果发送给接收方；具体为采用如下步骤进行得到噪声补偿结果：

将步骤s4所得第一探测数据x1(p1)和第二探测数据x2(p2)输入到训练完成的反向传播神经网络模型中，得到不可信源噪声估计值xn和pn；

在具体实施时，反向传播神经网络模型具体包含70个隐藏层，学习率为0.2，训练迭代次数为4000；训练数据包括与步骤s4使用相同方法得到的探测结果xt1(pt1)、xt2(pt2)以及人为设置的不可信源噪声xtn和ptn；

s6.接收方根据接收的噪声补偿结果，在后续的发送方与接收方之间的量子通信中进行噪声补偿，从而完成往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿；具体为采用如下步骤进行噪声补偿：

ⅰ.接收方双相位调制器得到接收方高斯随机数生成器生成的随机数xb和pb，以及步骤s5得到的不可信源噪声估计值xn和pn，得到调制参数的补偿值x'b＝xb-xn和p'b＝pb-pn；

ⅱ.接收方双相位调制器根据步骤ⅰ得到的调制参数的补偿值x'b和p'b，进行双相位调制；调制结果为xm＝x'b+xrn和pm＝p'b+prn，其中xrn和prn为实际不可信源噪声；

s7.经过若干时间后，发送方和接收方重复步骤s1～s5，从而对噪声补偿结果进行更新。

如图2所示为本发明系统的功能模块图：本发明提供的这种实现所述往返式连续变量量子密钥分配噪声补偿方法的系统，包括发送端子系统、接收端子系统和噪声估计系统；发送端子系统包括发送方脉冲激光器、发送方第一分束器、发送方第一可调衰减器、发送方第一偏振分束器、发送方第二分束器、发送方第二偏振分束器、发送方第三分束器、发送方第四分束器和发送方光电探测器；接收端子系统包括接收方第一分束器、接收方偏振耦合器、接收方第一可调衰减器、接收方双相位调制器、接收方高斯随机数生成器、接收方脉冲激光器和接收方偏振分束器；发送方脉冲激光器的输出端连接发送方第一分束器；发送方第一分束器的第一输出端的第一输出端连接发送方第一可调衰减器的输入端，发送方第一分束器的第二输出端连接发送方第四分束器的第一输入端；发送方第一可调衰减器的输出端连接发送方第一偏振分束器的第一输入端；发送方第一偏振分束器的第一输出端连接发送方第二分束器的第一输入端；发送方第二分束器的第一输出端连接接收端子系统；发送方第二分束器的第二输入端连接接收端子系统；发送方第二分束器的第二输出端连接发送方第二偏振分束器，发送方第二分束器的第三输出端连接发送方第一偏振分束器的第二输入端；发送方第一偏振分束器的第二输出端连接发送方第四分束器的第二输入端；发送方第二偏振分束器的第一输出端连接发送方第三分束器的第一输入端；发送方第二偏振分束器的第二输出端连接发送方第三分束器的第二输入端；发送方第四分束器的输出端连接发送方光电探测器的第一输入端，发送方第三分束器的输出端连接发送方光电探测器的第二输入端；发送方光电探测器的输出端连接噪声估计系统的输入端；接收方第一分束器的第一输入端连接发送端子系统；接收方第一分束器的第一输出端连接接收方第一可调衰减器的第一输入端，接收方第一可调衰减器的第一输出端连接接收方双相位调制器的第二输入端；接收方高斯随机数生成器的输出端连接接收方双相位调制器的第三输入端；接收方脉冲激光器的输出端连接接收方偏振分束器的输入端，接收方偏振分束器的第一输出端连接接收方双相位调制器的第四输入端，接收方双相位调制器的第二输出端连接发送方第一可调衰减器的第二输入端，接收方双相位调制器的第三输出端连接发送方第一可调衰减器的第三输入端；接收方第一可调衰减器的第二输出端连接接收方第一分束器的第二输入端；接收方第一可调衰减器的第三输出端连接接收方偏振耦合器的第一输入端；接收方偏振分束器的第二输出端连接接收方偏振耦合器的第二输入端；接收方偏振耦合器的的输出端连接接收方第一分束器的第三输入端；接收端第一分束器的第二输出端连接发送端子系统；噪声估计系统的输出端连接接收方双相位调制器的第一输入端；发送方脉冲激光器用于产生第一激光脉冲，并通过发送方第一分束器分为两束，10％的一束光为信号光并通过发送方第一可调衰减器衰减至量子水平后，再通过发送方第一偏振分束器和发送方第二分束器透射后进入量子信道，发送给接收端子系统；发送方第一分束器输出的90％的一束光为本振光并送入发送方第四分束器；接收端子系统接收到发送端子系统发送的第一光信息后，通过接收方第一分束器接收，并通过接收方第一可调衰减器衰减后送入接收方双相位调制器；接收方双相位调制器根据接收方高斯随机数生成器生成的高斯随机数对光信号进行高斯调制，并将调制后的信号光经过反射后通过接收方第一可调衰减器和接收方第一分束器透射进入量子信道，发回给发送端子系统；发送端子系统接收到接收端子系统发送的第二光信息后，通过发送方第二分束器透射后进入发送方第一偏振分束器，经过发送方第一偏振分束器透射后进入发送方第四分束器，并通过发送方第一分束器与发送方第一分束器输出的本振光进行干涉后，输入发送方光电探测器；接收端子系统同时通过接收方脉冲激光器产生第三激光脉冲，通过接收方偏振分束器分为两束：10％的一束作为信号光通过衰减后送入接收方双相位调制器进行双相位调制后，再通过接收方第一可调衰减器衰减至量子水平，并送入接收方偏振耦合器；90％的一束作为本振光直接送入接收方偏振耦合器；接收方偏振耦合器将接收到的两束光信息进行耦合后，再通过接收方第一分束器透射进入量子信道，发送给发送端子系统；发送端子系统通过发送方第二分束器透射进入发送方第二偏振分束器；发送方第二偏振分束器将接收到的光信号分为信号光和本振光后，再通过发送方第三分束器干涉后送入发送方光电探测器；发送方光电探测器根据接收到的数据进行零差探测，并将零差探测结果上传噪声估计系统；噪声估计系统采用机器学习方法进行噪声估计，得到噪声补偿结果并发送给接收端子系统；接收端子系统根据接收到的噪声补偿结果进行噪声补偿。

在具体实施时，噪声估计系统和发送端子系统可均设置在发送端内部。