一种多载波连续变量量子密钥分发系统及方法与流程

本发明涉及量子保密通信，具体是一种多载波连续变量量子密钥分发系统及方法。

背景技术：

1、近年来，连续变量量子密钥分发技术(continuous variable quantum keydistribution,cv-qkd)在量子态制备、传输、探测和数据处理等方面均取得了显著进展，为此国内外研究学者已开始研制成熟、稳定的cv-qkd系统并以部署在现行光纤通信系统中。然而cv-qkd系统要走向实用化，仍需深入开展高码率、长距离和多协议兼容的高性能cv-qkd系统研究。

2、当前提升cv-qkd系统安全码率和传输距离的主要技术途径是通过提升系统重复频率和降低系统过噪声。但随着cv-qkd系统传输距离和安全码率需求的激增，系统重复频率提升和过噪声优化逐步面临技术瓶颈问题。一方面，随着cv-qkd系统重复频率的提升，宽带cv-qkd系统在长距离传输时非常容易受到光纤色散等效应影响，额外引起较大的过噪声，限制了宽带cv-qkd系统的传输距离，难以实现高性能cv-qkd系统，例如10ghz重复频率的宽带光纤传输系统的色散受限距离为50km。另一方面，高速、长距离cv-qkd系统受宽带探测效率低和光纤长时间扰动等影响，导致其信噪比偏低，使得cv-qkd系统的数据处理性能不足，例如数字信号处理精度和后处理纠错效率不足。为解决上述问题，需将高速cv-qkd系统转换为多路低速cv-qkd系统，以减小光纤信道3色散效应的影响，进而提升cv-qkd系统的传输距离和安全码率。同时，需要高性能的数字信号解调算法和后处理算法以保证低信噪比下量子密钥信号的精确解调和高效纠错，降低系统过噪声并保证高安全码率输出。此外，为提升cv-qkd系统实用化能力，提升与经典光通信的兼容性，建立灵活的量子通信网络，需cv-qkd系统实现灵活可调的调制协议，以适应不同信道和不同用户的量子保密通信需求。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明提供了一种多载波连续变量量子密钥分发系统及方法，解决现有技术存在的高速cv-qkd系统长距离传输时受光纤色散效应影响和超低信噪比下数据处理性能受限的问题。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

3、一种多载波连续变量量子密钥分发系统，包括多载波量子密钥产生模块、多载波量子态制备模块、光纤信道、多载波量子态探测模块和多载波量子密钥处理模块；其中，多载波量子密钥产生模块与多载波量子态制备模块电连接，多载波量子态制备模块、光纤信道、多载波量子态探测模块依次光纤连接，多载波量子态探测模块与多载波量子密钥处理模块电连接。

4、作为一种优选的技术方案，多载波量子密钥产生模块用于：将高速量子密钥转换为n路正交的低速量子密钥电信号，并输入至多载波量子态制备模块；其中，n≥2且n为整数；

5、多载波量子态制备模块用于：形成多载波量子光信号、导频光信号，再将形成的多载波量子光信号、导频光信号送入光纤信道进行传输；

6、多载波量子态探测模块用于：接收光纤信道传输的多载波量子光信号、导频光信号，然后将多载波量子光信号、导频光信号进行相干探测形成多载波量子电信号、导频电信号；

7、多载波量子密钥处理模块用于：基于多载波量子电信号、导频电信号形成n路量子密钥。

8、作为一种优选的技术方案，多载波量子密钥产生模块包括依次数据连接的随机数发生器、串并变换子模块、调制子模块、第一插入子模块、傅里叶逆变换子模块、并串变换子模块、第二插入子模块、第一匹配滤波子模块、移频子模块、实/虚部提取子模块、数模转换器。

9、作为一种优选的技术方案，多载波量子态制备模块包括光纤连接的alice激光器、第三偏振分束器、iq调制器、第一光衰减器、偏振合束器，多载波量子态制备模块还包括与第三偏振分束器、偏振合束器分别光纤连接的第二光衰减器，iq调制器的输入端与数模转换器的输出端电连接，偏振合束器与光纤信道光纤连接。

10、作为一种优选的技术方案，所述的多载波量子态探测模块包括依次光纤连接的bob激光器、第一偏振分束器、第一光耦合器、第二光耦合器、第二偏振分束器，第一偏振分束器与第一光耦合器光纤连接，第一光耦合器与第二偏振分束器光纤连接，第二偏振分束器与光纤信道光纤连接，还包括第一平衡探测器和第二平衡探测器，第一光耦合器与第一平衡探测器光纤连接，第二光耦合器与第二平衡探测器与光纤连接。

11、作为一种优选的技术方案，所述的多载波量子密钥处理模块包括依次数据连接的模数转换器、频偏估计子模块、带通滤波子模块、导频补偿子模块、匹配滤波子模块、时钟同步子模块、去除循环前缀子模块、第二串并变换子模块、傅里叶变换子模块、提取/去除子模块、数字均衡补偿子模块、数据后处理子模块，模数转换器与第一平衡探测器、第二平衡探测器分别电连接。

12、作为一种优选的技术方案，第一插入子模块用于插入训练序列与零序列，第二插入子模块用于插入循环前缀。

13、作为一种优选的技术方案，提取/去除子模块用于提取训练序列和去除零序列、数字均衡补偿子模块用于实现基于训练序列的数字均衡补偿。

14、作为一种优选的技术方案，n＝5。

15、一种多载波连续变量量子密钥分发方法，采用所述的一种多载波连续变量量子密钥分发系统，工作时：

16、多载波量子密钥产生模块将高速量子密钥转换为n路正交的低速量子密钥电信号，并输入至多载波量子态制备模块；

17、多载波量子态制备模块形成多载波量子光信号、导频光信号，再将形成的多载波量子光信号、导频光信号送入光纤信道进行传输；

18、多载波量子态探测模块接收光纤信道传输的多载波量子光信号、导频光信号，然后将多载波量子光信号、导频光信号进行相干探测形成多载波量子电信号、导频电信号；

19、多载波量子密钥处理模块基于多载波量子电信号、导频电信号形成n路量子密钥。

20、本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

21、(1)本发明通过引入多载波技术，将高速cv-qkd系统转换为n路低速cv-qkd系统，有效地弱化高速cv-qkd系统受长距离光纤色散效应引起的码间串扰影响，有效提升cv-qkd系统传输距离和安全码率；

22、(2)本发明提出n路量子正交子载波的数字处理算法，有效提升低信噪比下高速、长距离cv-qkd系统的数字信号处理的精度，保证了高性能cv-qkd系统的有效实现；

23、(3)本发明通过采用n路量子正交子载波并行传输技术，可以实现不同调制协议的连续变量量子密钥并行分发，有效满足不同传输信道和不同用户的加密需求，提升cv-qkd系统与经典光通信系统的兼容性。

技术特征：

1.一种多载波连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括多载波量子密钥产生模块(1)、多载波量子态制备模块(2)、光纤信道(3)、多载波量子态探测模块(4)和多载波量子密钥处理模块(5)；其中，多载波量子密钥产生模块(1)与多载波量子态制备模块(2)电连接，多载波量子态制备模块(2)、光纤信道(3)、多载波量子态探测模块(4)依次光纤连接，多载波量子态探测模块(4)与多载波量子密钥处理模块(5)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种多载波连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，多载波量子密钥产生模块(1)用于：将高速量子密钥转换为n路正交的低速量子密钥电信号，并输入至多载波量子态制备模块(2)；其中，n≥2且n为整数；

3.根据权利要求2所述的一种多载波连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，多载波量子密钥产生模块(1)包括依次数据连接的随机数发生器(11)、串并变换子模块(12)、调制子模块(13)、第一插入子模块(14)、傅里叶逆变换子模块(15)、并串变换子模块(16)、第二插入子模块(17)、第一匹配滤波子模块(18)、移频子模块(19)、实/虚部提取子模块(110)、数模转换器(111)。

4.根据权利要求3所述的一种多载波连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，多载波量子态制备模块(2)包括光纤连接的alice激光器(21)、第三偏振分束器(22)、iq调制器(23)、第一光衰减器(24)、偏振合束器(26)，多载波量子态制备模块(2)还包括与第三偏振分束器(22)、偏振合束器(26)分别光纤连接的第二光衰减器(25)，iq调制器(23)的输入端与数模转换器(111)的输出端电连接，偏振合束器(26)与光纤信道(3)光纤连接。

5.根据权利要求4所述的一种多载波连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述的多载波量子态探测模块(4)包括依次光纤连接的bob激光器(41)、第一偏振分束器(42)、第一光耦合器(43)、第二光耦合器(44)、第二偏振分束器(45)，第一偏振分束器(42)与第一光耦合器(43)光纤连接，第一光耦合器(43)与第二偏振分束器(45)光纤连接，第二偏振分束器(45)与光纤信道(3)光纤连接，还包括第一平衡探测器(46)和第二平衡探测器(47)，第一光耦合器(43)与第一平衡探测器(46)光纤连接，第二光耦合器(44)与第二平衡探测器(47)与光纤连接。

6.根据权利要求5所述的一种多载波连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述的多载波量子密钥处理模块(5)包括依次数据连接的模数转换器(51)、频偏估计子模块(52)、带通滤波子模块(53)、导频补偿子模块(54)、匹配滤波子模块(55)、时钟同步子模块(56)、去除循环前缀子模块(57)、第二串并变换子模块(58)、傅里叶变换子模块(59)、提取/去除子模块(510)、数字均衡补偿子模块(511)、数据后处理子模块(512)，模数转换器(51)与第一平衡探测器(46)、第二平衡探测器(47)分别电连接。

7.根据权利要求6所述的一种多载波连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，第一插入子模块(14)用于插入训练序列与零序列，第二插入子模块(17)用于插入循环前缀。

8.根据权利要求7所述的一种多载波连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，提取/去除子模块(510)用于提取训练序列和去除零序列、数字均衡补偿子模块(511)用于实现基于训练序列的数字均衡补偿。

9.根据权利要求2至8任一项所述的一种多载波连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，n＝5。

10.一种多载波连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的一种多载波连续变量量子密钥分发系统，工作时：

技术总结
本发明涉及量子保密通信技术领域，公开了一种多载波连续变量量子密钥分发系统及方法，该系统包括多载波量子密钥产生模块、多载波量子态制备模块、光纤信道、多载波量子态探测模块和多载波量子密钥处理模块。本发明有效避免了光纤信道色散效应对宽带CV‑QKD系统的影响，提升了超低信噪比下宽带、长距离CV‑QKD系统的数据处理性能，实现N路不同调制协议的CV‑QKD系统，保证了高灵活、高实用和高码率的量子保密通信。

技术研发人员：王恒,徐兵杰,盘艳,皮峣迪,叶挺,邵云,黄伟,李扬,刘金璐,张涛
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第三十研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16