基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统及其实现方法

1.本发明属于量子密钥分发技术领域，特别是涉及一种基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统及其实现方法。


背景技术：

2.量子密钥分发(qkd)技术作为目前最有前途、最可行的技术之一，在量子物理学中有着广阔的应用前景，离散变量量子密钥分发(dvqkd)和连续变量量子密钥分发(cvqkd)是量子密钥分发技术的两种主要实现方式，都取得了一些显著的成果。
3.离散变量量子密钥分发技术起步较早，具有安全传输距离较长的特点，但离散变量量子密钥分发技术采用单光子作为载体传递信息，单光子源的制备比较困难，现在的实验室均采用平均光子数为0.1/pulse的脉冲光来充当单光子源，由于其并不是真正的单光子，使得系统的安全性降低；此外单光子检测器的造价太高，只适于实验实现，不能大规模的商业化制造使用。
4.连续变量量子密钥分发技术相比于离散变量量子密钥分发技术具有以下优势：1、连续变量量子密钥分发技术在实验时可以使用弱相干光作信息载体，无需制备单光子源，也无需造价成本高的单光子探测器，使用平衡零差探测器或外差探测器即可；2、连续变量量子密钥分发技术可以采用如正交振幅调制等经典光通信中的调制方案，实验复杂性简化；3、连续变量量子密钥分发技术具有更高的密钥率，因此连续变量量子密钥分发技术具有更好的应用前景。
5.在连续变量量子密钥分发中有两种主要的态，即高斯态和离散态，使用高斯态虽然可以达到较高的密钥率，但事实上高斯相干态在实际应用中很难完全实现；与高斯态相比，离散态具有以下优点：1、离散态以小星座为特征，极大地简化了误差校正过程；2、离散态能够简化状态准备过程；3、使用离散态可以在低信噪比的情况下实现高的协商效率。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统，该系统通过电光相位调制器生成一维离散态的连续变量，在接收端使用零差检测器获得相位分量检测结果，该系统的实现成本较低，连续变量离散态的制备过程简单，对其进行纠错协商时效率较高。
7.本发明的目的还在于提供一种基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统的实现方法，该方法极大地简化了量子态的制备过程和误差校正过程，提高了量子密钥分发系统在低信噪比时的协商效率，推进了连续变量量子密钥的实用化。
8.本发明所采用的技术方案是，基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统，包括发送端、传输信道和接收端；
9.所述发送端包括：
10.脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；
11.分束器1，用于将脉冲相干光分离为1％信号光和99％本振光，将本振光通过延迟光纤发送至偏振耦合器1，将信号光发送至电光相位调制器1；
12.经典计算机pc1，用于生成均匀随机数信号，将随机数信号发送至电光相位调制器1控制其对信号光进行一维离散调制；
13.可调衰减器，将经一维离散调制的信号光衰减到量子水平，并发送至偏振耦合器1；
14.偏振耦合器1，用于将量子水平的信号光和本振光耦合成量子信号；
15.所述传输信道包括量子信道和经典信道，所述偏振耦合器1将量子信号经量子信道传输至接收端，所述经典计算机pc1通过经典信道与接收端连接。
16.进一步的，所述接收端包括：
17.偏振控制器，用于接收所述偏振耦合器1发送的量子信号，并对量子信号进行偏振补偿后发送至分束器2；
18.分束器2，用于将量子信号分成1％信号光和99％本振光，并将本振光输入电光相位调制器2，将信号光经延迟光纤输入偏振耦合器2；
19.电光相位调制器2，用于对本振光进行相位调制，使本振光与信号光的相位差为0或π/2；
20.偏振耦合器2，对相位调制后的本振光和信号光进行干涉，并将干涉结果输入零差检测器；
21.零差探测器，用于对干涉结果进行零差检测，得到相位分量检测结果；
22.经典计算机pc2，用于控制电光相位调制器2进行相位调制，并采集零差检测结果，通过经典信道与经典计算机pc1进行协商获得量子密钥。
23.进一步的，所述脉冲激光器采用thorlabs opg1015皮秒光脉冲发生器，所述分束器1采用端口类型为1
×
2的分束器，所述电光相位调制器1的型号为mpz
‑
ln
‑
10，所述可调衰减器采用型号为voa780pm
‑
fc的保偏可调激光衰减器，所述偏振耦合器1的型号为thorlabs pbc980pm
‑
fc。
24.进一步的，所述分束器2采用端口类型为1
×
2的分束器，所述电光相位调制器2的型号为mpz
‑
ln
‑
10，所述偏振耦合器2的型号为thorlabs pbc980pm
‑
fc。
25.基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统的实现方法，包括以下步骤：
26.s1，使用分束器1将脉冲激光器产生的脉冲相干光分离成本振光和信号光，并将信号光输送至电光相位调制器1，经典计算机pc1生成随机数信号，并将随机数信号输入电光相位调制器1控制其对信号光进行一维离散调制，所述一维离散调制过程如下：
27.s11，经典计算机pc1内含的fpga信号生成卡生成均匀随机数集合{0,1,2,
…
,n
‑
1}，并将随机数集合发送至电光相位控制器1；
28.s12，电光相位控制器1以相同的概率从集合{0,1,2,
…
,n
‑
1}中随机抽取数字k，对信号光进行调制得到离散量子态|α
k
>＝|ae
i(2k+1)π/n
>，n类离散量子态组成集合s
n
，s
n
＝{|ae
iπ/n
>,
…
,|ae
(2k+1)iπ/n
>,
…
,|ae
(2n
‑
1)iπ/n
>}，其中i为虚数，a为幅值；
29.s2，电光相位调制器1将s
n
输入可调衰减器，衰减至量子水平后输入偏振耦合器1，偏振耦合器1将其与本振光耦合成量子信号，经过量子信道输送至偏振控制器；
30.s3，偏振控制器对量子信号进行偏振补偿，而后入射至分束器2分离成1％信号光
和99％本振光，本振光经电光相位调制器2进行相位调制，然后输入偏振耦合器2与信号光干涉，将干涉光发送至零差检测器进行相位分量检测；
31.s4，经典计算机pc2采集相位分量检测结果，并通过经典信道与经典计算机pc1进行参数估计、纠错、一致性校验、保密增强操作，得到最终共享密钥。
32.进一步的，所述步骤4包括以下步骤：
33.s41，经典计算机pc1和经典计算机pc2分别从原始密钥中挑选部分位置相同的密钥比特进行公开比对，计算量子误码率，若量子误码率≥阈值则舍弃本次传输的密钥，若量子误码率＜阈值则进行s42；
34.s42，经典计算机pc1编码获得校验比特，并通过经典信道将校验比特发送至经典计算机pc2，经典计算机pc2将校验比特与原始密钥比特混合，并进行译码运算，以纠正经典计算机pc2获得的原始密钥比特中的误码比特；
35.s43，经典计算机pc1和经典计算机pc2分别计算纠错后密钥比特的哈希值，若两者的计算结果相同则纠错成功，保留该组密钥比特并进行s44，否则舍弃该组密钥比特；
36.s44，对密钥比特进行保密增强获得最终共享密钥。
37.进一步的，所述步骤42中编码包括以下步骤：
38.(1)在n
‑
k个校验位上置0，根据dvb
‑
s2协议为校验矩阵定义双对角矩阵，得到校验位地址列表；
39.(2)以360个信息位为一组，将第一组信息位数据与校验位地址列表中第一行的校验位对应进行异或计算，将第二组信息位数据与校验位地址列表中第二行的校验位对应进行异或计算，以此类推获得校验位地址列表中所有检验位的值；
40.所述异或计算如下：{x+(mmod360
×
q)}mod(n
‑
k)，其中m为表示信息位数目的变量，x是第m+1个信息位i
m
对应的校验位地址，q为所选码率对应的参数；
41.(3)利用公式获得最终的奇偶校验位p
i
，将p
i
附到信息序列后得到编码后码字，p
i
中的i为表示校验位数目的变量，i＝1,2,3,...,n
‑
k
‑
1。
42.进一步的，其特征在于，所述步骤s42中译码包括以下步骤：
43.(1)信息初始化：变量节点a接收的初始概率似然比信息为l(p
a
)，变量节点a传向校验节点b的初始信息为l
(0)
(q
ab
)＝l(p
a
)，q
ab
为从变量节点a到校验节点b的外部概率信息；
44.(2)利用如下计算对校验节点进行处理更新：
[0045][0046]
其中u为迭代次数，l
(u)
(r
ba
)为第u次迭代时校验节点b传向变量节点a的信息，r
b
\a为除变量节点a外与校验节点b相连的变量节点集合，c为除变量节点a外与校验节点b相连的变量节点，l
(u
‑
1)
(q
cb
)为第u
‑
1次迭代时变量节点c传向校验节点b的信息；
[0047]
使用以下计算对变量节点进行更新：l
(u)
(q
ab
)为第u次迭代时变量节点a传向校验节点b的信息，c
a
\b为除校验节点b外与变量节点a相连的校验节点集合，d为除校验节点b外与变量节点a相连的校验节点，l
(u)
(r
da
)为第u次迭代时校验节点d传向变量节点a的信息；
[0048]
译码判决：其中l
(u)
(q
a
)为变量节点a收集到的所有信息，c
a
为与变量节点a相连的所有校验节点集合，若l
(u)
(q
a
)＞0就认为否则否则为变量节点a的译码输出序列；
[0049]
迭代终止：当或达到预设的迭代次数时迭代终止，得到译码判决后的码字，其中h为对应的奇偶校验矩阵，为译码得到的译码序列组成的矩阵，t为转置。
[0050]
本发明的有益效果是：本发明直接使用数字信号调制获得离散态的连续变量，其制备过程简单且容易做到高速，经过单相位调制后，秘密信息被编码在量子态的相位正则分量上，接收端使用零差检测器对其检测，使本发明的实现成本降低、易于推广，且本发明还对接收端接收的密钥进行纠错协商，使量子密钥的协商效率提高。
附图说明
[0051]
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。
[0052]
图1中：(a)是本发明获得的离散态在相空间的分布图，(b)是传统方法获得的离散态在相空间的分布。
[0053]
图2是本发明的系统结构图。
[0054]
图3是本发明进行密钥分发的流程图。
[0055]
图4是本发明实施例的效果对比图。
具体实施方式
[0056]
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。
[0057]
基于离散态的一维连续变量量子密钥分发系统如图2所示，包括发送端、传输信道和接收端，所述发送端包括脉冲激光器，所述脉冲激光器将产生的脉冲相干光发送至分束器1，分束器1将脉冲相干光分离成1％的原始信号光和99％的原始本振光，并将原始本振光通过可调节的延迟光纤输送至偏振耦合器1，将原始信号光输入电光相位调制器1，经典计算机pc1内含的fpga信号生成卡将生成的均匀随机数信号输送至电光相位调制器1，控制其对原始信号光进行一维离散调制，电光相位调制器1将一维离散调制结果输入可调衰减器，可调衰减器将离散调制信号光衰减至量子水平后输入偏振耦合器1，偏振耦合器1将信号光与原始本振光耦合成量子信号，经过量子信道发送至接收端。
[0058]
所述接收端包括偏振控制器，偏振控制器对接收到的量子信号进行偏振补偿，并将补偿后的量子信号输入分束器2，分束器2将量子信号分离成1％的信号光和99％的本振光，并将信号光输入偏振耦合器2，将本振光输入电光相位调制器2进行相位调制，使其与信
号光的相位差为0或π/2，电光相位调制器2将调制本振光输入偏振耦合器2，偏振耦合器2将相位调制本振光和信号光耦合后输入零差检测器进行零差检测，获得相位分量检测结果；经典计算机pc2内含的fpga数据采集卡采集到相位分量检测结果，并通过经典通道与经典计算机pc1交互，对相位分量检测结果进行校验、纠错和保密增强，获得最终的量子密钥数据。
[0059]
脉冲激光器采用thorlabs opg1015皮秒光脉冲发生器，可产生≤3ps、频率为10ghz的激光脉冲，分束器采用agiltron公司的ns系列端口类型为1
×
2的分束器，工作波长780～1800nm，全带宽内分束比可调，电光相位调制器1和电光相位调制器2的型号均为mpz
‑
ln
‑
10，具有高消光比(>20db)、低损耗(2.5db)、高带宽(10ghz)的特点，能满足更高速率的量子密钥通信系统，减少光学器件带来的额外损耗；可调衰减器采用型号为voa780pm
‑
fc的保偏可调激光衰减器；偏振耦合器1和偏振耦合器2的型号为thorlabs pbc980pm
‑
fc，高消光比(>18db)、低损耗(<2db)；偏振控制器采用mlc
‑
15
‑
pqh
‑
sm
‑
fa，工作波长为15～1550nm；零差探测器采用thorlabs pda435a平衡放大光电探测器，共模抑制比＞20db，带宽可达350mhz；经典计算机pc内含的fpga信号生成卡和fpga数据采集卡采用xilinx vc707，采样率最高可达5gsa/s。
[0060]
本实施例基于离散态的一维连续变量量子密钥分发的实现流程如图3所示，包括以下步骤：
[0061]
s1，制备离散态量子信号；
[0062]
分束器1将脉冲激光器发射的脉冲相干光按99：1分成本振光和信号光，信号光传播到电光相位调制器1，经典计算机pc1内含的fpga信号生成卡生成均匀随机数信号，并将随机数信号输入电光相位控制器1控制其对信号光进行离散调制，经典计算机pc1控制电光相位控制器1对信号光进行离散调制的过程如下：
[0063]
s11，经典计算机pc1内含的fpga信号生成卡生成均匀随机数集合{0,1,2,
…
,n
‑
1}，并将随机数集合发送至电光相位控制器1；
[0064]
s12，电光相位控制器1以相同的概率从随机数集合{0,1,2,
…
,n
‑
1}随机抽取数字k，得到n类离散量子态集合s
n
＝{|ae
iπ/n
>,
…
,|ae
(2k+1)iπ/n
>,
…
,|ae
(2n
‑
1)iπ/n
>}，其中i为虚数，a为幅值，相位分量的取值满足(2k+1)π/n，由于采用的是单相位调制，而幅值分量并未被调制，因而幅值a是未知的；
[0065]
本发明经电光相位调制器1调制得到的离散态在相空间的分布如图1中(a)所示，其相比于由传统方法得到的离散态在相空间的分布(图1中(b)所示)，在量子密钥传输过程中密钥信息加载在量子态的相位上，信息的传递与振幅无关，本发明在调制阶段仅对信号光的相位进行调制，而没有对其幅值进行调制，使获得的量子态在同一相位其幅值是连续，这样会简化量子态的调制过程，降低调制成本；
[0066]
s2，电光相位控制器1将n类离散量子态输入可调衰减器衰减至量子水平，而后输入偏振耦合器1，分束器1分离得到的本振光通过延迟光纤传播至偏振耦合器1，偏振耦合器1将衰减信号光和本振光耦合成一路光束，经量子信道传播到接收端的偏振控制器；
[0067]
s3，偏振控制器对接收的量子光束进行偏振补偿，然后入射至分束器2分离成1％的信号光和99％的本振光，将本振光输入电光相位调制器2进行相位调制，将调制结果输入偏振耦合器2，分束器2将信号光经延迟光纤输入偏振耦合器2，偏振耦合器2将本振光和信
号光干涉后输入零差检测器进行相位分量检测；由于采用一维单相位调制，发送端和接收端的调制基和测量基都是相位基分量，所以可以免去密钥筛选过程；
[0068]
s4，经典计算机pc2内含的fpga数据采集卡采集相位分量检测结果，对其进行参数估计、纠错、一致性校验和保密增强得到量子密钥数据。
[0069]
如图3所示，参数估计、纠错、一致性校验和保密增强的过程，具体如下：
[0070]
s41，经典计算机pc1和经典计算机pc2从原始密钥中共同挑选部分密钥比特进行公开比对，根据比对结果计算量子误码率，若量子误码率≥阈值则舍弃本次传输的所有密钥比特，若量子误码率＜阈值则进行s42；
[0071]
s42，经典计算机pc1产生校验比特，并发送给经典计算机pc2，经典计算机pc2将校验比特与本地原始密钥比特混合，并进行译码运算纠正本地原始密钥比特中的误码比特；
[0072]
s43，经典计算机pc1和经典计算机pc2分别利用哈希算法计算纠错后密钥比特的哈希值，若两者的哈希值相同则纠错成功，保留该组密钥比特并进行s44，否则舍弃该组密钥；
[0073]
s44，对密钥比特进行信息压缩即保密增强，获得最终的共享安全密钥。
[0074]
作为优选的技术方案，所述s42中使用码长为16200bit、码率为1/3的校验码进行编码运算的过程如下：
[0075]
(1)在n
‑
k个校验位上置0，即p0＝p
i
＝
…
＝p
n
‑
k
‑1＝0，p
i
中的i为表示校验位数目的变量，i＝1,2,3,
…
,n
‑
k
‑
1，p
i
为第i个校验位，根据dvb
‑
s2协议为不同的校验矩阵定义双对角矩阵，得到校验位地址列表；
[0076]
(2)以360个信息位为一组，将第一组信息位数据与校验位地址列表中第一行的所有校验位对应进行异或计算，将第二组信息位数据与校验位地址列表中第二行的所有校验位对应进行异或计算，以此类推获得校验位地址列表中所有检验位的值；
[0077]
所述异或计算的公式如下：{x+(m mod360
×
q)}mod(n
‑
k)，其中m为表示信息位数目的变量，x是第m+1个信息位i
m
对应的校验位地址，q为所选码率对应的参数；
[0078]
(3)利用公式获得最终的奇偶校验位p
i
，将p
i
附到信息序列后得到编码后码字。
[0079]
作为优选的技术方案，所述步骤s42中进行误码纠错的译码运算的过程如下：
[0080]
(1)信息初始化：变量节点a接收的初始概率似然比信息为l(p
a
)，变量节点a传向校验节点b的初始信息为l
(0)
(q
ab
)＝l(p
a
)，q
ab
为从变量节点a到校验节点b的外部概率信息；
[0081]
(2)校验节点处理更新：其中u为迭代次数，r
ba
为从校验节点b到变量节点a的外部信息，l
(u)
(r
ba
)为第u次迭代时校验节点b传向变量节点a的信息，r
b
\a为除变量节点a外与校验节点b相连的变量节点集合，c为除变量节点a外与校验节点b相连的变量节点，l
(u
‑
1)
(q
cb
)为第u
‑
1次迭代时变量节点c传向校验节点b的信息；
[0082]
变量节点更新：l
(u)
(q
ab
)为第u次迭代时变量节点a传向校验节点b的信息，c
a
\b为除校验节点b外与变量节点a相连的校验节点集合，d为除校验节点b外与变量节点a相连的校验节点，l
(u)
(r
da
)为第u次迭代时校验节点d传向变量节点a
的信息；
[0083]
译码判决：其中l
(u)
(q
a
)为变量节点a收集到的所有信息，c
a
为与变量节点a相连的所有校验节点集合，若l
(u)
(q
a
)＞0，就判决认为否则为变量节点a的译码输出序列；
[0084]
(4)迭代终止：当或达到预设的迭代次数时迭代终止，得到译码判决后的码字，其中h为对应的奇偶校验矩阵，为译码得到的译码序列组成的矩阵，t为转置。
[0085]
现有技术中进行离散调制需同时使用幅度调制器和相位调制器对信号光进行调制，本发明基于离散态的一维调制技术仅使用单相位调制，即可获得相位不同的离散态，而未对幅值分量进行调制，这样做能够简化调制方案，降低实现成本，使其在短距离密钥传输时应用更为广泛，在量子通信较为成熟时可用于局域网建设，更适于推广；本发明还将5g通信中的dvb
‑
s2协议应用于密钥纠错协商，使量子密钥的传输效率提高，准确率增加。
[0086]
实施例
[0087]
发送端alice及接收端bob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；随后alice利用电光相位调制器1对脉冲激光器发出的弱相干光进行相位调制以产生离散量子态|α
k
>＝|ae
i(2k+1)π/n
>，得到离散量子态集合s
n
，然后经相位敏感的量子信道发送至远程接收端bob，接收端bob使用零差检测器对调制正交分量进行零差测量，最后通信双方通过纠错及保密增强，获得最终安全密钥。
[0088]
不失一般性，离散态主要包括二态、四态和八态，根据不同相位下离散态的类别不同改变集合s
n
中的相干态，获得了三种类别离散态下连续变量量子密钥分发系统的密钥率与传输距离的关系，将离散态与高斯态下的连续变量量子密钥分发系统的性能进行比较，比较结果如图4所示，由图4可知在传输距离小于20km的情况下高斯态的密钥率高于离散态，当传输距离在20km～70km之间时离散态的密钥率高于高斯态，即在短距离密钥传输下离散态的应用更为广泛。
[0089]
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。