一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法与流程

技术特征：

1.一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述分发方法包括：

在发送端内，通过脉冲产生装置产生信号光场和参考光场；所述信号光场经过第一振幅调制器和第一信号调整装置后与所述参考光场分别传输至光纤合束器，经过所述光纤合束器合并成一路量子信号，通过量子传输信道传输至接收端；通过第一数据处理装置产生第一调制电压并加载在所述第一振幅调制器上，以调整信号光场的振幅和相位；

在接收端内，所述量子信号经过第二信号调整装置和光纤分束器后分离；分离后的参考光场经过第三信号调整装置和相位调制器后与分离后的信号光场分别传输至测量装置，通过测量装置测量脉冲光场量子态的正交分量；通过第二数据处理装置产生反馈电压、第二调制电压及测量基电压，并加载在所述相位调制器上，使得在所述反馈电压或第二调制电压和反馈电压共同的作用下，对信号光场和参考光场的相对相位锁定，以及对另一维度正交分量的起伏进行随机检测；

测量的正交分量分别在第一数据处理装置和第二数据处理装置中进行数据处理，在发送端和接收端分别获得一组安全量子密钥。

2.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述第一数据处理装置产生第一调制电压具体包括：

通过量子随机发生器产生0，1随机码，将所述随机码转换成在(0,1]上均匀分的随机数；

根据所述均匀分布的随机数，采用Box-Muller方法产生高斯分布随机数X，所述高斯分布随机数X服从标准正态分布N(0,1)，对应的概率密度函数为：

$f_X\left(X\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{X^2}{2}},-\mathrm{\∞}\<X\<+\mathrm{\∞}---\left(1\right);$

满足如下条件：

${\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{X^2}{2}}dX=1---\left(2\right);$

在±3σ处进行截断，将公式(2)变换为：

${\∫}_{-3}^{+3}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{X^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}dX=99.74\%,\mathrm{\σ}=1---\left(3\right);$

所述第一振幅调制器的振幅透射率r的区间为[-1,1]，将Z＝X/3取代X，使得Z与r一一对应，则将公式(3)变换为：

其中Z表示中间变量；

在参考光场和信号光场的相对相位为0时，

$Z=r=E_{out}/R=cos(\mathrm{\α}V+\mathrm{\Δ})=cos(\frac{\mathrm{\π}}{2V_{\mathrm{\π}}}V+\mathrm{\Δ})=cos\left(\frac{\mathrm{\π}}{2V_{\mathrm{\π}}}\right(V+V_{max}\left)\right)---\left(5\right);$

根据公式(5)确定加载在所述第一振幅调制器上的第一调制电压为V：

其中，V_max表示最大通光电压。

3.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述脉冲产生装置包括光纤激光器、脉冲发生器、两个第二振幅调整器及第一光纤耦合器；其中，

两个所述第二振幅调整器级联在光纤激光器与第一保偏光纤耦合器之间，且分别连接脉冲发生器，用于在所述脉冲发生器发出的脉冲信号的驱动下，对所述光纤激光器发出的激光信号依次进行振幅调整；

所述第一光纤耦合器用于对振幅调整后的激光信号进行分束处理，得到信号光场和参考光场。

4.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述第一信号调整装置包括第一保偏光纤和可调光纤衰减器，所述第一振幅调制器、第一保偏光纤、可调光纤衰减器及光纤合束器依次连接。

5.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述量子传输信道包括第一单模光纤或由自由空间形成的传输媒介。

6.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述第二数据处理装置产生反馈电压、第二调制电压并加载在所述相位调制器上具体包括：在一个相位值测量的全部时间段内，所述反馈电压一直加载在所述相位调制器上；在全部时间段内的测试脉冲时间段内同时加载第二调制电压。

7.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，根据以下公式确定反馈电压V_f(k)：

$V_f\left(k\right)=K_p\mathrm{\θ}\left(k\right)+K_I\underset{i=0}{\overset{k}{\Σ}}\mathrm{\θ}\left(i\right)+K_D\left(\mathrm{\θ}\right(k)-\mathrm{\θ}(k-1\left)\right)---\left(7\right);$

其中，i，k用于标记数据块，K_p表示比例系数，K_I表示积分系数，K_D表示微分系数，θ表示相对相位，在相对相位锁定的过程中利用第k个数据块计算出的电压需加载在第k+1个数据块上；

根据以下公式确定第一调制电压：

V₁＝V_f+V_0π/3,V₂＝V_f+V_2π/3,V₃＝V_f+V_4π/3或V₃＝V_f+V_-2π/3； (8)

其中，V_f表示反馈电压，V_0π/3表示相位角为0时的相位电压，V₁表示对应0相位角时的第一调制电压，V_2π/3表示相位角为2π/3时的相位电压，V₂表示对应2π/3相位角的第一调制电压，V_-2π/3表示相位角为-2π/3时的相位电压，V_4π/3表示相位角为4π/3时的相位电压，V₃表示对应-2π/3或4π/3相位角的第一调制电压；

另一维度的测量基电压V_R的计算公式为：

其中V_π/2表示相位角为π/2时的相位电压。

8.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述第二信号调整装置包括单模光纤耦合器、第一探测器、高速比较器、延时器、动态偏振控制器、第二保偏耦合器及第二探测器；其中，

所述量子传输信道、单模光纤耦合器、第一探测器、高速比较器、延时器及第二数据处理装置依次连接，用于完成时钟的恢复与同步；

第二保偏耦合器设置在光纤分束器和第三信号调整装置之间，所述第二保偏耦合器、第二探测器、第二数据处理装置依次连接，所述动态偏正控制器分别连接所述单模光纤耦合器、第二数据处理装置及光纤分束器，用于完成光场偏振的自动控制。

9.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述测量装置包括：

50/50偏振分束耦合器，分别与光纤分束器和相位调制器连接，用于将所述信号光场和参考光场进行偏振、耦合处理；

时域脉冲平衡零拍探测器，与所述偏振耦合器连接，用于测量信号光场的正交分量。

10.根据权利要求1所述的实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述测量的正交分量分别在第一数据处理装置和第二数据处理装置中进行数据处理具体包括：对测量的正交分量依次进行参数分析、数据协调和私密放大。