自由空间连续变量量子密钥分发方法及系统与流程

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种基于自适应光学的自由空间高斯调制连续变量量子密钥分发方法及系统。

背景技术：

连续变量量子密钥分发是有别于传统通信的一项技术，其主要利用测不准原理和量子态不可克隆定理来实现通信的无条件安全。因其能够与现有的光通信技术兼容的潜在优势，光纤信道连续变量量子密钥分发吸引了许多科研人员参与研究。自由空间连续变量量子密钥分发作为构建全球量子密钥分发网络的重要组成部分，为了使其与光纤信道连续变量量子密钥分发更好地融合发展，近年来，自由空间信道下连续变量量子密钥分发的研究成为连续变量量子密钥分发的研究热点之一。

公开号为cn109510701a的专利公开了一种连续变量量子密钥分发设备及方法，该设备包括：光源，调制单元，第一随机数发生器和处理器；其中，处理器用于根据预设的调制格式符号数，每个符号的分布概率和由第一随机数发生器产生的第一随机数序列，得到第一数据序列；根据该第一数据序列，得到第二数据序列；调制单元用于根据第一数据序列，对光源发出的信号进行调制，输出第二光信号，该第二光信号无需包括现有高斯协议要求的2⁸×2⁸量级的量子态个数，实现难度低。

与光纤信道连续变量量子密钥分发相比，自由空间信道连续变量量子密钥分发方式具有天然优势：不需要特定的传送介质，具有无线电通信的便捷性，大气中光子传播不受双折射效应的影响，信道噪声较小，高度增加时大气密度降低，光子传输损耗急剧减小等。

但目前自由空间连续变量量子密钥分发还存在诸多问题。大气中影响因素，比如空气的流动，散射，气候等等，使得自由空间连续变量量子密钥分发未能取得重大进展。尤其是激光在大气中传输时，易受到大气湍流的影响，导致传输光束的波前随机起伏，造成光斑漂移、强度起伏(闪烁)等大气湍流效应，致使传输的光束质量下降，从而造成通信系统性能下降，严重影响了系统性能。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自由空间连续变量量子密钥分发方法及系统。

根据本发明提供的一种自由空间连续变量量子密钥分发方法，包括：

量子信号发送步骤：使用高斯调制对量子信号光进行调制，将调制后的量子信号光与本振光耦合得到耦合光，通过自由空间信道发送所述耦合光；

量子信号接收步骤：接收所述耦合光，将所述耦合光中的量子信号光与本振光分离；

自适应光学处理步骤：获取部分分离得到的本振光，根据本振光的波前相位校正分离得到的量子信号光。

优选地，所述量子信号发送步骤中，将激光器产生的光束通过一个分束比为99:1的分束器得到1％的量子信号光和99％的本振光，然后利用强度调制器和相位调制器完成对量子信号光的高斯调制，通过偏振复用和时分复用将调制后的量子信号光和本振光耦合。

优选地，使用两组随机数：一组随机数服从瑞利分布，用于量子信号光的强度调制；另一组随机数服从于均匀分布，用于量子信号光的相位调制。

优选地，所述量子信号接收步骤中，对接收到的耦合光通过动态偏振控制器进行偏振补偿，然后通过时分和偏振解复用将耦合光中的量子信号光和本振光分离，利用分束器分离出部分本振光用于所述自适应光学处理步骤。

优选地，所述自适应光学处理步骤中，获取部分分离得到的本振光，通过波前传感器进行波前测量，通过波前复原算法重构出波前相位，通过波前控制器将波前传感器得到的波前相位经过控制算法转化为波前校正器的控制信号，从而驱动波前校正器校正分离得到的量子信号光的波前形状。

优选地，还包括：

量子信号测量步骤：对校正后的量子信号光与本振光进行零差检测，得到测量数据；

后处理步骤：对测量数据进行处理得到粗密钥，然后通过密钥协商和保密增强得到最终密钥。

根据本发明提供的一种自由空间连续变量量子密钥分发系统，包括：

量子信号发送模块：使用高斯调制对量子信号光进行调制，将调制后的量子信号光与本振光耦合得到耦合光，通过自由空间信道发送所述耦合光；

量子信号接收模块：接收所述耦合光，将所述耦合光中的量子信号光与本振光分离；

自适应光学处理模块：获取部分分离得到的本振光，根据本振光的波前相位校正分离得到的量子信号光。

优选地，所述量子信号发送模块中，将激光器产生的光束通过一个分束比为99:1的分束器得到1％的量子信号光和99％的本振光，然后利用强度调制器和相位调制器完成对量子信号光的高斯调制，通过偏振复用和时分复用将调制后的量子信号光和本振光耦合。

优选地，所述量子信号接收模块中，对接收到的耦合光通过动态偏振控制器进行偏振补偿，然后通过时分和偏振解复用将耦合光中的量子信号光和本振光分离，利用分束器分离出部分本振光用于所述自适应光学处理模块。

优选地，所述自适应光学处理模块中，获取部分分离得到的本振光，通过波前传感器进行波前测量，通过波前复原算法重构出波前相位，通过波前控制器将波前传感器得到的波前相位经过控制算法转化为波前校正器的控制信号，从而驱动波前校正器校正分离得到的量子信号光的波前形状。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

由于自适应光学可以实时测量、并使用波前校正器矫正因大气效应造成的量子信号光波前畸变，从而改进系统性能，因此本发明可以减弱大气效应的影响、提升连续变量量子密钥分发性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的系统结构示意图；

图3为本发明的光路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的一种自由空间连续变量量子密钥分发方法，包括：

量子信号发送步骤：使用高斯调制对量子信号光进行调制，将调制后的量子信号光与本振光耦合得到耦合光，通过自由空间信道发送耦合光。

量子信号接收步骤：接收耦合光，将耦合光中的量子信号光与本振光分离。

自适应光学处理步骤：获取部分分离得到的本振光，根据本振光的波前相位校正分离得到的量子信号光。

量子信号测量步骤：对校正后的量子信号光与本振光进行零差检测，得到测量数据δi。

后处理步骤：对测量数据δi进行处理得到粗密钥，然后通过密钥协商和保密增强得到最终密钥。

具体地，如图2和图3所示，图中的符号解释如下：

bs：分束器；pbs：偏振分束器；dpc：动态偏振控制器；fm：法拉第镜；pm：相位调制器；hd：homodyne检测：

t：信道透过率；p：信道透过率对应的概率；ε：过噪声；η：探测效率；vd：探测端噪声；xa/b：正则位置；pa/b：正则动量；a0,a,b0,b,b1,b2,f0,f,g：量子态

wfs：波前传感器：wfc：波前控制器；dm：变形镜

发送端将激光器产生的光束通过一个分束比为99:1的分束器得到量子信号光(1％)和本振光(99％)，随后利用强度调制器和相位调制器完成对量子信号光的高斯调制，然后通过偏振复用和时分复用将调制后的量子信号光和本振光耦合，借助于发射望远镜经自由空间信道发送给接收端。使用两组随机数：一组随机数服从瑞利分布，用于量子信号光的强度调制；另一组随机数服从于均匀分布，用于量子信号光的相位调制。

量子信号光表示为

调制后的量子信号光表示为

其中，为量子信号光场，为高斯调制后的量子信号光场，r为坐标原点到测量场强的地点的位置矢量,k为波矢量，i为虚数单位，t为时间，ωk为角频率，ε0为介电常数，v0和vs为模式体积，为约化普朗克常量，vπ为相位调制器的半波电压，vb为强度调制器的偏置电压，aτ和φτ(τ＝{1,2,…,n}，n为随机数个数)分别为高斯调制的振幅随机数和相位随机数，为产生算符，为湮灭算符，为高斯调制后的产生算符，为高斯调制后的湮灭算符。

接收端对接收到的耦合信号经过动态偏振控制器进行偏振补偿，随后通过时分和偏振解复用将量子信号光和本振光分离，然后利用分束器分离出部分本振光，将其送入自适应光学系统。

经过自由空间信道的量子信号光表示为：

其中，vsc为模式体积，和为自由空间信道引起的强度波动与相位畸变。

自适应光学系统主要由波前传感器、波前控制器和波前校正器三部分组成，光束经过自由空间信道后，波前传感器对其进行波前测量，然后通过波前复原算法重构出波前信息，波前控制器将波前传感器探测到的信号经过控制算法转化为波前校正器的控制信号，驱动波前校正器改变波前形状，从而有效地校正各种扰动对激光光束质量的影响，得到接近衍射极限的输出激光光束，最后经过自适应光学系统校正的光束送入接收端的零差探测器进行测量。

校正后的量子信号光表示为：

其中，vsc为模式体积，为自适应光学系统中的波前传感器探测到本振光的波前的相位。

优选地，所述步骤4，具体地：

零差检测得到的测量数据δi表示为：

其中，θ为本振光的调制相位。

当θ＝0时，

当θ＝π/2时，

其中，为量子信号光的正则位置，为量子信号光的正则动量。

在上述一种自由空间连续变量量子密钥分发方法的基础上，本发明还提供一种自由空间连续变量量子密钥分发系统，包括：

量子信号发送模块：使用高斯调制对量子信号光进行调制，将调制后的量子信号光与本振光耦合得到耦合光，通过自由空间信道发送耦合光；

量子信号接收模块：接收耦合光，将耦合光中的量子信号光与本振光分离；

自适应光学处理模块：获取部分分离得到的本振光，根据本振光的波前相位校正分离得到的量子信号光。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。