一种基于锁频技术的本地本振连续变量量子密钥分发系统及方法

1.本发明属于量子保密通信领域，具体是一种基于锁频技术的本地本振连 续变量量子密钥分发系统及方法。


背景技术：

2.随着量子计算机的问世，传统的经典加密遭受威胁。依据量子不可克隆 定理的量子保密通信技术-量子密钥分发(qkd)技术由此诞生，qkd主要 分为离散变量量子密钥分发(dv-qkd)和连续变量量子密钥分发
3.(cv-qkd)，与dv-qkd相比，cv-qkd根据电磁场的正交分量来调制信 息，在接收端使用相干探测技术(平衡零差和外差探测)来解调信息，这种 调制解调方式与经典通信中类似，因此可以与现有的经典通信更好的融合， 而且不需要单光子源和单光子探测器等昂贵的设备，在短距离传输下甚至有 更高的安全码率等优势，在近些年来受到广泛的研究和重视。
4.cv-qkd系统根据本振信号所处的位置在发射端还是接收端可分为随 路本振系统和本地本振系统。大部分的随路本振系统中，本振信号与调制信 号通过时分复用和偏振复用的方式共纤传输到信道中，再由接收端通过平衡 零差探测的方式获取调制信号(y.c.zhang,et al.,continuous-variable qkdover 50km commercial fiber,quantum sci.technol.4,035006(2019).)。但由于 近些年针对本振提出了相关攻击，例如本振抖动攻击、本振校准攻击等，导 致随路本振系统产生安全漏洞，降低系统性能。本地本振系统的提出完美的 解决了这些针对本振攻击的漏洞，在本地本振系统中本振放在系统接收端而 无需通过信道，一方面避免了针对本振的攻击，另一方面本振的强度得到了 保证，但是随之而来会产生新的问题，两地激光器的频率漂移会增加额外的 相位快漂移，而这部分相位漂移变化很快，很难通过调制信号来补偿，因此 在目前大部分的本地本振系统会在发射端额外生成一导频信号与调制信号 复用进入信道，常见的复用方式有时分复用+偏振复用或频分复用+偏振复用， 通过提取导频信号的相位变化来补偿调制信号的相位。但这会导致相位补偿 的速率大大减慢，并且易受硬件处理速率限制，也无法从中提取同步信号， 所以目前仍未有实时处理的本地本振cv-qkd系统。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出一种基于锁频技术的本地本振连续变量 量子密钥分发系统及方法，利用锁频技术将两地激光器的拍频控制在一定的 较小范围内，使得无需额外的导频信号来补偿相位快漂移，而只需补偿信道 中的相位慢漂移即可完成相位补偿，同时能提取时钟同步和数据同步的信息 实现实时运算，为推进本地本振系统实用化提供了一种可行方案。
6.本发明的一种基于锁频技术的本地本振连续变量量子密钥分发系统包 括alice
端、光纤链路以及bob端，所述的alice端发射光信号经过光纤链 路并由bob端接收。
7.所述alice端包括第一连续激光源、第一保偏分束器、脉冲调制模块、 第一控制模块、第二保偏分束器、量子调制模块、延时模块、功率衰减模块 以及偏振合束器；所述第一连续激光源的输出端连接第一保偏分束器的输入 端，所述第一保偏分束器输出端的一个端口连接脉冲调制模块，另一端口输 入光纤链路，所述脉冲调制模块与第二保偏分束器连接，输出端的一个端口 经过量子调制模块，产生量子信号，另一个端口则经过延时模块盒功率衰减 模块，产生参考信号，两路信号经过偏振合束器耦合到一起发送至光纤链路。
8.所述光纤链路包括经典信道和量子信道2部分。
9.所述bob端包括第二连续激光源、移频模块、第三保偏分束器、第一保 偏合束器、第一功率放大模块、第二控制模块、第一探测模块、功率衰减模 块、第二保偏合束器、偏振补偿模块、偏振分束器、第二功率放大模块、第 二探测模块、平衡探测模块和第三控制模块；所述第一功率放大模块用于经 过经典信道的光信号，并与第一保偏合束器连接，所述第一保偏合束器的一 个端口与功率衰减模块、第一探测模块相继连接，所述第二连续激光源的输 出端与移频模块、第三保偏分束器相继连接，所述第三保偏分束器的其中一 个输出端口与第一保偏合束器连接，另一端口与第二保偏合束器连接，所述 偏振补偿模块用于补偿经过量子信道的光信号的偏振，并与偏振分束器连接， 分成同步信号与量子信号，其中量子信号与第二保偏合束器连接，参考信号 与第二功率放大模块、第二探测模块相继连接，所述第二保偏合束器的输出 端与平衡探测模块连接。
10.进一步地，所述的脉冲调制模块和量子调制模块由第一控制模块产生的 电信号控制，其中量子调制模块中的调制模式包括高斯调制和离散调制等相 关连续变量的调制方式。
11.进一步地，所述的第二控制模块接收从第一探测模块得到的电信号并经 过相关数据处理算法得到对应的反馈电信号，并作用于移频模块。
12.进一步地，所述的第二探测模块将电信号发送至第三控制模块，用于提 取时钟同步信号与数据同步信号，所述的平衡探测模块将电信号发送至第三 控制模块用于提取安全码率。
13.本发明的一种基于锁频技术的本地本振连续变量量子密钥分发系统的 方法，包括以下步骤：
14.步骤一：第一连续激光源发送一连续光经过第一保偏分束器和经典信道 后，到达接收端，第二连续激光源发送一连续光经由移频模块和第三保偏分 束器与另一束到达接收端并经过第一功率放大模块放大的光在第一保偏分 束器上发生干涉产生拍频信号，频率为fp，拍频信号经由功率衰减模块和第 一探测模块将衰减后的光信号转换为电信号发送至第二控制模块，第二控制 模块运用机器学习算法，根据一部分训练数据(fp1,fp2,..fpn)来预测频率漂 移情况，并将预测数据反馈于移频模块，使两地的激光器完成频率锁定，并 且锁定的频率中心为fs；
15.步骤二：第一控制模块分别产生脉冲调制信号和量子调制信号，其中， 脉冲调制信号包含了时钟同步信息和数据同步信息，脉冲调制完并经过第二 保偏分束器分束分为同步信号与量子信号，参考信号经过延时模块和功率衰 减模块衰减到较小的功率，量子调制信号包含了调制数据和参考数据，2者 比例按照某一顺序排列，量子信号与同步信号采
用时分复用和偏振复用；
16.步骤三：用偏振补偿模块补偿信号在量子信道中传输的偏振漂移，并由 偏振分束器将量子信号与同步信号分开，同步信号经过第二功率放大模块放 大功率，第二探测模块将放大后的光信号转换为电信号传至第三控制模块用 于提取时钟同步信息和数据同步信息，量子信号与第二连续激光源经由第三 保偏分束器分束的光干涉，并将干涉信号发送至平衡探测模块，由第三控制 模块进行后处理的相位补偿及安全码率计算。
17.进一步地，所述的拍频信号的频率fs,fp,fp1,fp2,
…
fpn应小于移频模块可 移频的最大范围fmax。
18.进一步地，所述的相位补偿是利用量子信号中的一部分参考数据计算信 道中缓慢的相位漂移量，并补偿给按一定顺序排列的调制数据。
19.本发明的有益效果在于：
20.提出了一种基于锁频技术的本地本振连续变量量子密钥分发系统及方 法，有效解决传统本地本振系统中恢复数据相位效率低下，无法实时处理数 据的问题，为本地本振系统的实用化提供了一种新的方案。
附图说明
21.图1本发明的系统结构示意图
22.图2本发明具体实例中的调制信号示意图
具体实施方式
23.为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面将进一步的详细 地说明本发明地具体实施方式。
24.如图1所示，本实施例中提供了一种基于锁频技术的本地本振连续变量 量子密钥分发系统包括alice端、光纤链路以及bob端，alice端发射光信 号经过光纤链路并由bob端接收。
25.其中alice端包括第一连续激光源、第一保偏分束器、脉冲调制模块、 第一控制模块、第二保偏分束器、量子调制模块、延时模块、功率衰减模块 以及偏振合束器；第一连续激光源的输出端连接第一保偏分束器的输入端， 第一保偏分束器输出端的一个端口连接脉冲调制模块，另一端口输入光纤链 路，脉冲调制模块与第二保偏分束器连接，输出端的一个端口经过量子调制 模块，产生量子信号，另一个端口则经过延时模块盒功率衰减模块，产生参 考信号，两路信号经过偏振合束器耦合到一起发送至光纤链路。
26.光纤链路则包括经典信道和量子信道2部分。
27.bob端包括第二连续激光源、移频模块、第三保偏分束器、第一保偏合 束器、第一功率放大模块、第二控制模块、第一探测模块、功率衰减模块、 第二保偏合束器、偏振补偿模块、偏振分束器、第二功率放大模块、第二探 测模块、平衡探测模块和第三控制模块；第一功率放大模块用于经过经典信 道的光信号，并与第一保偏合束器连接，第一保偏合束器的一个端口与功率 衰减模块、第一探测模块相继连接，第二连续激光源的输出端与移频模块、 第三保偏分束器相继连接，第三保偏分束器的其中一个输出端口与第一保偏 合束器连接，另一端口与第二保偏合束器连接，偏振补偿模块用于补偿经过 量子信道的光信号的
偏振，并与偏振分束器连接，分成同步信号与量子信号， 其中量子信号与第二保偏合束器连接，参考信号与第二功率放大模块、第二 探测模块相继连接，第二保偏合束器的输出端与平衡探测模块连接。
28.在本发明的一个实施例中，脉冲调制模块和量子调制模块由第一控制模 块产生的电信号控制，其中量子调制模块中的调制模式包括高斯调制和离散 调制等相关连续变量的调制方式。
29.在本发明的一个实施例中，第二控制模块接收从第一探测模块得到的电 信号并经过相关数据处理算法得到对应的反馈电信号，并作用于移频模块。
30.在本发明的一个实施例中，第二探测模块将电信号发送至第三控制模块， 用于提取时钟同步信号与数据同步信号，所述的平衡探测模块将电信号发送 至第三控制模块用于提取安全码率。
31.如图2所示，本实施例还提供了一种基于锁频技术的本地本振连续变量 量子密钥分发方法，步骤如下：
32.步骤一:第一连续激光源发送一连续光经过第一保偏分束器和经典信 道后，到达接收端，第二连续激光源发送一连续光经由移频模块和第三保偏 分束器与另一束到达接收端并经过第一功率放大模块放大的光在第一保偏 分束器上发生干涉产生拍频信号，频率为fp，拍频信号经由功率衰减模块和 第一探测模块将衰减后的光信号转换为电信号发送至第二控制模块，第二控 制模块运用机器学习算法，根据一部分训练数据(fp1,fp2,..fpn)来预测频率 漂移情况，并将预测数据反馈于移频模块，使两地的激光器完成频率锁定， 并且锁定的频率中心为fs；
33.步骤二：第一控制模块分别产生脉冲调制信号和量子调制信号，其中， 脉冲调制信号包含了时钟同步信息和数据同步信息，脉冲调制完并经过第二 保偏分束器分束分为同步信号与量子信号，参考信号经过延时模块和功率衰 减模块衰减到较小的功率，量子调制信号包含了调制数据和参考数据，2者 比例按照某一顺序排列，量子信号与同步信号采用时分复用和偏振复用；
34.步骤三：用偏振补偿模块补偿信号在量子信道中传输的偏振漂移，并由 偏振分束器将量子信号与同步信号分开，同步信号经过第二功率放大模块放 大功率，第二探测模块将放大后的光信号转换为电信号传至第三控制模块用 于提取时钟同步信息和数据同步信息，量子信号与第二连续激光源经由第三 保偏分束器分束的光干涉，并将干涉信号发送至平衡探测模块，由第三控制 模块进行后处理的相位补偿及安全码率计算。
35.在本发明的一个实施例中，所述的拍频信号的频率fs,fp,fp1,fp2,
…
fpn应 小于移频模块可移频的最大范围fmax。
36.在本发明的一个实施例中，所述的相位补偿是利用量子信号中的一部分 参考数据计算信道中缓慢的相位漂移量，并补偿给按一定顺序排列的调制数 据。
37.具体实施时，第一连续激光源发送的连续光中心波长为 1550.12+δλ1(t)nm，第二连续激光源发送的连续光中心波长为 1550.12+δλ2(t)nm,其中δλ1(t)和δλ2(t)为激光器的中心波长随时间变化 的函数，首先驱动移频模块，其最大移频量为fmax，并设一初值f0《fmax, 则第一连续激光源经过第一保偏分束器和经典信道后，到达接收端并经过第 一功率放大模块放大的光信号和第二连续激光源经由移频模块和第三保偏 分束器的光信
号在第一保偏分束器上发生干涉产生的拍频fp将表示为
[0038][0039]
其中，c为光速，微调其中任一台激光器的中心波长，使fp《fmax,拍频信号 经由功率衰减模块和第一探测模块将衰减后的光信号转换为电信号发送至第 二控制模块，第二控制模块运用机器学习算法，根据一部分训练数据 (fp1,fp2,..fpn)来预测频率漂移情况，并将预测数据反馈于移频模块，使两 地的激光器完成频率锁定，并将频率控制在fs±
δf，其中δf满足2πδft《1
°
， t为信号脉冲周期。需要保证的是以上出现的频率f0,fs,fp,fp1,fp2,
…
fpn应小 于移频模块可移频的最大范围fmax。
[0040]
紧接着alice端的第一控制模块分别产生脉冲调制信号和量子调制信号， 如图2所示，其中，脉冲调制信号包含2种脉冲，一种是20％占空比的脉冲， 另一种是50％占空比的脉冲，在本实施例中，脉冲产生顺序为先产生23个50％ 占空比的脉冲，随后皆为20％占空比的脉冲，前者包含了时钟同步信息和数据 同步信息，脉冲调制完并经过第二保偏分束器分束分为同步信号与量子信号， 参考信号经过延时模块和功率衰减模块衰减到较小的功率，一是为了防止被窃 听者攻击，二是减小信道串扰，量子调制信号包含了调制数据和参考数据，2 者比例按照某一顺序排列，具体排列方式与锁频效果有关，量子信号与同步信 号采用时分复用和偏振复用进入量子信道。
[0041]
在bob端，偏振补偿模块补偿信号在量子信道中传输的偏振漂移，并由偏 振分束器将量子信号与同步信号分开，同步信号经过第二功率放大模块放大功 率，第二探测模块将放大后的光信号转换为电信号传至第三控制模块，第三控 制模块会根据计数23个50％占空比的脉冲信号，来提取时钟同步信息和数据 同步信息，量子信号与第二连续激光源经由第三保偏分束器分束的连续光干涉， 并将干涉信号发送至平衡探测模块，平衡探测模块的通带范围应大于或等于干 涉信号的频谱，最后由第三控制模块进行后处理的相位补偿，由于激光器已锁 频，快漂移相位可忽略，系统的主要相位漂移来源于信道的慢漂移相位，所以 仅需要一部分参考数据计算信道中缓慢的相位漂移量，并补偿给按一定顺序排 列的调制数据，并通过常用的后处理方法计算安全码率。
[0042]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到 上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容 后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范 围应由所附的权利要求来限定。