一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法及系统

文档序号:25991466发布日期:2021-07-23 21:03阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:

(1)发送端制备本振光与原始信号光,然后将原始信号光等概率且随机地制备为四种信号光中的一种,对本振光和信号光除相位振幅外的自由度进行差异化,然后再将本振光与信号光合束后通过量子信道发送至接收端;其中,在每一轮成码过程中,四种信号光满足:以其中任意一种信号光的相位为基准相位,其余三种信号光的相位与基准相位的相位差分别为90°、180°、270°;本振光满足:本振光的相位与基准相位之间形成固定的相位差

(2)发送端将每一轮成码过程中发送的信号光所对应的信号态编码为经典比特,所述经典比特即为发送端的初始密钥字符串;

(3)接收端将本振光与信号光之间除相位振幅外的自由度重新统一,以本振光的相位为正则坐标轴,通过外差测量获得信号光的正则坐标值及相应的正则动量值,以测量得到的正则坐标为实部、正则动量为虚部形成复数结果;

(4)接收端将一轮成码中得到的若干复数结果映射为四种信号光相应的信号态,并按照与发送端相同的方式将得到的信号态编码为接收端的初始密钥字符串;

(5)发送端和接收端采用基于凸优化和对偶问题的密钥率计算方法计算安全密钥率,然后对自己持有的初始密钥字符串进行经典纠错并基于计算出的安全密钥率进行隐私放大,最终获得安全密钥。

2.根据权利要求1所述的一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法,其特征在于:所述步骤(3)中,将复数结果映射为信号态的具体步骤包括:

1)以进行外差测量之前的本振光相位作为0相位构建复数坐标系,以基准相位与0相位之间的相位差为一个相位角,以为其余三个相位角,从复数坐标系原点引出对应所述四个相位角的四条射线;

2)分别以所述四条射线为中心构成四个扇形区域,每个扇形区域对应一个信号态;

3)将每个复数结果映射到复数坐标系中,根据其落入的扇形区域得到每个复数结果对应的信号态。

3.根据权利要求1所述的一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法,其特征在于:

所述基于凸优化和对偶问题的密钥率计算方法计算安全密钥率的具体步骤包括:

构建并求解密钥率计算模型:

其中,r表示密钥率,ρab表示联合密度矩阵,s表示约束条件,h(ρ||σ)是相互熵表明了被攻击后仍然不被攻击者知道的信息量,通过凸优化算法求解后获得最小值的下限;是使得量子的密度矩阵与经典比特有关联的映射,表示收缩量子信道将的映射结果投影到经典比特上;δec代表着经典数据的比特纠错导致的比特损失,δec=(1-β)h(z)-βh(z|x),其中β为纠错效率,h(z)为z的信息熵,h(z|x)为在已知x情况下z的信息熵;prsave表示保留某一个脉冲的数据用于生成密钥的概率。

4.一种基于外差测量的四态量子密钥分发系统,用于实现权利要求1至3任意一项所述的方法,包括发送端和接收端,其特征在于:

所述发送端包括:脉冲光源模块、n:1分光模块、信号本振异化模块、四态制备模块、合并输出模块和发送端控制模块;其中,脉冲光源模块用于制备高速脉冲激光;n:1分光模块将高速脉冲激光制备成原始信号光和本振光;信号本振异化模块选择并调制原始信号光和本振光除了相位振幅之外的若干自由度,使得原始信号光和本振光经同一光路传输后,能够依据所述若干自由度被分辨出来;四态制备模块将原始信号光随机地制备成所述四种信号光;合并输出模块将四种信号光与本振光合并为一路后输出给接收端;发送端控制模块控制发送端其余各模块实现各自功能,以及与接收端控制模块进行密钥协商;

所述接收端包括:传输校准模块、信号本振反异化模块、外差测量四态分辨模块和接收端控制模块;其中,传输校准模块用于接收合并光并消除合并光在量子信道传输中引起的参数漂移;信号本振反异化模块将信号光和本振光分出来,并将信号光和本振光经过信号本振异化模块调制过的自由度回复原来的状态;外差测量四态分辨模块对四种信号光进行测量,得到本振态相位为基准的正则坐标与其对应的正则动量,根据正则坐标和正则动量分辨出四种信号态;接收端控制模块控制接收端其余各模块实现各自功能,以及与发送端控制模块进行密钥协商。

5.根据权利要求4所述的一种基于外差测量的四态量子密钥分发系统,其特征在于:

所述接收端包括通过保偏光纤连接的电子偏振控制器、第一至第三分束器、第一至第四探测器、第一至第二保偏偏振分束器、第一至第二差分放大器;其中,

电子偏振控制器将接收发送端发送的光脉冲,并对光脉冲的偏振进行修正,将本振光所对应的偏振旋转到光纤快轴中传输,将信号光所对应的偏振在光纤慢轴中传输;

第一分束器将校准后的光均匀的分成两束后分别送入第一、第二保偏偏振分束器;

第一保偏偏振分束器将光束中的信号光与本振光成分按照本振光反射、信号光透射分离并将本振光偏振旋转90°,使本振光与信号光偏振保持一致,然后通过长度不同的两段光纤分别将信号光与本振光传输至第二分束器,使得本振光相位增加第二分束器进行本振光与信号光干涉操作,将干涉后的两束光分别送至第一、第二探测器进行测量,第一、第二探测器的测量结果送至第一差分放大器进行差分放大,得到正则动量p;

第二保偏偏振分束器将光束中的信号光与本振光成分按照本振光反射、信号光透射分离并将本振光偏振旋转90°,使本振光与信号光偏振保持一致,然后通过长度不同的两段光纤分别将信号光与本振光传输至第三分束器,使得本振光与信号光同时进入第三分束器;第三分束器进行本振光与信号光干涉操作,将干涉后的两束光分别送至第三、第四探测器进行测量,第三、第四探测器的测量结果送至第二差分放大器进行差分放大,得到正则坐标q。

6.根据权利要求5所述的一种基于外差测量的四态量子密钥分发系统,其特征在于:

所述发送端包括通过保偏光纤连接的脉冲激光器、n:1分束器、相位调制器和保偏偏振分束器;其中,

脉冲激光器通过保偏光纤发送脉冲给n:1分束器;

n:1分束器将脉冲分束为原始信号光与本振光,将原始信号光发送给相位调制器,将本振光发送给保偏偏振分束器;

相位调制器对原始信号光进行相位调制,得到所述任意一种信号态所对应的信号光,然后将信号光发送给保偏偏振分束器;

信号光和本振光分别通过不同长度的光纤从分束器到保偏偏振分束器,以使本次信号光到达保偏偏振分束器时间位于本次本振光与下次本振光到达保偏偏振分束器时间的中间;保偏偏振分束器将相位调制后的信号光偏振旋转90°后反射,将本振光直接透射,最后通过单模光纤向发送端发送合束光。

7.根据权利要求5所述的一种基于外差测量的四态量子密钥分发系统,其特征在于:

所述发送端包括主激光器、第一从激光器、第二从激光器、分束器、第一环形器、第二环形器、固定衰减器、相位调制器、保偏偏振分束器;其中,

主激光器产生种子光并通过分束器将种子光分为两部分,一部分通过第一环形器注入第一从激光器,另一部分通过第二环形器注入第二从激光器;

第一从激光器生成原始信号光,并通过第一环形器送至固定衰减器进行衰减,衰减后的光束传递至相位调制器进行相位调制,以形成对应所述任意一种信号态的信号光,生成的信号光送入保偏偏振分束器;

第二从激光器生成本振光,并将本振光通过第二环形器送入保偏偏振分束器;

保偏偏振分束器将本振光和信号光合束后通过单模光纤发送至接收端。

8.根据权利要求5所述的一种基于外差测量的四态量子密钥分发系统,其特征在于:

所述发送端包括主激光器、第一从激光器、第二从激光器、分束器、第一环形器、第二环形器、固定衰减器、保偏偏振分束器;其中,

主激光器在输入电压下,每个周期产生一束种子光并通过分束器将种子光分为两部分,一部分通过第一环形器注入第一从激光器,另一部分通过第二环形器注入第二从激光器;

第二从激光器在每个周期的前半周期,基于主激光器输入的种子光实现注入锁定,产生本振光,本振光通过第二环形器送入保偏偏振分束器;;

第一从激光器在每个周期的后半周期,基于主激光器输入的种子光实现注入锁定,产生信号光,信号光通过第一环形器送入固定衰减器进行衰减,衰减后的信号光送入保偏偏振分束器;

保偏偏振分束器将本振光和信号光合束后通过单模光纤发送至接收端。


技术总结
本发明提出一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法及系统,本发明在制备本振光和四种信号光时,四种信号光满足仅存在相位上的差别,而本振光仅与四种信号光的基准相位之间保持固定相位差,采用上述方式,只需要调制相位就可以进行编码。收发双方编码完毕后进行经典纠错,并在隐私放大环节采用基于凸优化和对偶问题的密钥率计算方法计算出安全密钥率,基于计算出的安全密钥率进行隐私放大,最终获得安全密钥。本发明降低了相位精准制备和相位反馈的难度;另一方面,系统发送信号光种类少且易于制备,简化了系统,能够超越其他连续变量量子密钥分发系统的安全传输距离与安全密钥率,实现更简易、更安全、更高效以及更远距离的密钥分发。

技术研发人员:尹华磊;刘文博;陈增兵
受保护的技术使用者:南京大学
技术研发日:2021.06.15
技术公布日:2021.07.23
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