实现经典信号和量子信号频分复用的系统、方法及介质与流程

本发明涉及经典通信和量子保密通信，具体地，涉及一种实现经典信号和量子信号频分复用的系统、方法及介质。尤其地，涉及一种实现正交相移键控调制经典信号和高斯相干态调制量子信号的频分复用的系统及方法。

背景技术：

1、量子保密通信是一项保障信息安全传输的通信技术。该技术的安全性并不基于计算安全体制，而是基于量子物理的基本特性，因而可在未来窃听方计算能力突破的情况下，保障合法方信息传输的安全。量子保密通信中的核心安全密钥源于量子密钥分发技术，基于量子测不准原理和不可克隆定理，任何对分发密钥的非法监听或篡改操作都会被合法方发现，保障了密钥传输的安全性。根据实现方式的不同，量子密钥分发主要分为离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发。前者将离散分布信息编码在单光子上，并用单光子检测技术进行探测；后者将连续分布信息编码在互不对易的光场正则分量上，并用相干检测技术进行探测。经过二十余年的发展，连续变量量子密钥分发的理论无条件安全性已被证明，其实际性能指标也在近几年取得突破性进展，具有良好的应用前景。

2、连续变量量子密钥分发因其编码在光场正则分量上的协议特性，在实际实现中具有如下特点：一是对于正则分量的探测普遍采用相干检测，其探测器与经典相干光通信探测器结构类似，无需制冷装置，较容易实现集成；二是相干检测技术具有天然的滤波特性，可以抑制背景光干扰，使协议具备良好的与经典光通信共纤兼容特性。当前，连续变量量子密钥分发在系统成熟度以及安全传输距离方面并不及离散变量量子密钥分发，但其安全密钥率在城域网范围内具有较好表现，且实地运行以及设备芯片化也得到初步验证。在信息所承载价值远超以往，对信息安全需求与日剧增的当下，进一步推动连续变量量子密钥分发实用化具有重要意义。

3、量子密钥分发技术愈发成熟，正朝着实际工程应用方向迈进，但在实用化推进中仍然存在一系列基础科学问题和核心技术问题亟待解决，例如量子保密信号与经典光纤通信高效融合问题。光纤通信系统因具有高速率、大容量、传输距离长等优越性能，在当今信息化社会中成为必要基础设施。将量子密钥分发与经典光纤通信系统融合，将极大推动量子密钥分发规模化部署与应用。当前，无论是离散变量量子密钥分发技术还是连续变量量子密钥分发技术，多采用波分复用实现与经典数据传输的共纤融合，该方式需要单独为量子密钥分发预留一个通道，且量子密钥分发系统与经典通信系统相对独立。

4、专利文献cn116405209a公开了一种cv-qkd连续变量量子密钥分发偏振补偿方法及系统，所述方法包括：引入参考光1和参考光2，通过两个偏振方向交替出现的参考光偏振变化量来估计量子信号光的偏振态；具体地，在垂直偏振方向将量子光与参考光1按照预设比例进行时分复用，再与水平偏振方向的参考光2进行偏振复用，同时，通过插值法补全缺漏的导频光数据，以使得有相邻的两组参考光数据用来估计量子信号光的偏振变化量。然而该专利无法完全解决目前存在的技术问题，也无法满足本发明的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种实现经典信号和量子信号频分复用的系统、方法及介质。

2、根据本发明提供的实现经典信号和量子信号频分复用的系统，包括：发送端信号产生与调制模块和接收端信号探测模块；

3、所述发送端信号产生与调制模块包括任意波形发射器、激光发射器、iq调制器、可变光衰减器、光分束器以及光隔离器；

4、所述接收端信号探测模块包括两个零差探测器、可变光衰减器、光隔离器和光分束器；

5、在发送端信号产生与调制模块中，所述任意波形发生器的第一通道与第二通道连接iq调制器的相应接口；所述激光发射器连接第一光分束器后，较小一路连接光隔离器以后接入iq调制器的相应接口，所述iq调制器输出端连接可变光衰减器后送入接收端信号探测模块；所述光分束器较大一路直接送入接收端信号探测模块；

6、在接收端信号探测模块中，所述iq调制器输出端一路连接第一50:50光分束器后分别送入两个零差探测器；所述第一光分束器较大一路先连接光隔离器，再连接可变光衰减器，最后通过第二50:50光分束器分别送入两个零差探测器。

7、根据本发明提供的实现经典信号和量子信号频分复用的方法，执行如下步骤：

8、步骤1：搭建实现正交相移键控调制经典信号和高斯相干态调制量子信号的频分复用的系统，包括发送端信号产生与调制模块和接收端信号探测模块；

9、步骤2：生成随机01序列以使用正交相移键控调制进行传输，生成高斯分布序列以使用高斯相干态调制进行传输，将二序列加以正弦载波，形成连续波形，再将二波形相加后送入发送端信号产生与调制模块中的任意波形发生器，此即经典信号与量子信号混合而成的复合电信号；

10、步骤3：以发送端信号产生与调制模块中的电信号产生模块输出的复合电信号作为驱动信号，激光发射器输出的光信号作为载体，通过iq调制器进行调制，将复合电信号携带的信息调制在光信号上，调制后的载有信息的复合光信号同时回到50:50的分束器发生干涉，干涉结果进入接收端信号探测模块，通过两个平衡零差探测器，实现相干检测；

11、步骤4：使用程序处理接收端信号探测模块探测到的信号，包括相干解调实现两种信号分离、滤波、信号相位漂移恢复、信号平衡补偿、正交相移键控调制经典信号象限区分、量子信号和经典信号参数评估。

12、优选地，对于正交相移键控调制经典信号，正弦载波公式为：

13、

14、

15、其中，a1与b1为随机01序列，fc1为正交相移键控调制的载波频率，t是时间；

16、对于高斯相干态调制量子信号，正弦载波公式为：

17、

18、

19、其中，a2与b2为服从高斯分布的随机序列，fc2为高斯相干态调制的载波频率，t是时间；

20、令ya＝y1+y3，令yb＝y2+y4，ya与yb即为即将送入发送端信号产生与调制模块中的复合电信号。

21、优选地，正交相移键控调制经典信号载波频率高于高斯相干态调制载波频率，以便在频谱上将两者分离；正交相移键控调制经典信号的幅值高于高斯相干态调制信号幅值，以达成二者传输过程中的功率条件。

22、优选地，所述相干解调包括：

23、x与p为光场上的两个正则分量，初始状态下，x与p分别等于ya与yb，传输过程中x与p具有一个相位漂移θ，经推导得：

24、x＝yacosθ-ybsinθ

25、p＝ybcosθ+yasinθ

26、将ya与yb表达式代入式子中，得到：

27、

28、

29、对正交相移键控调制经典信号相干解调：对x与p分别乘以整理得：

30、

31、

32、其中，fc1为正交相移键控调制的载波频率，fc2为高斯相干态调制的载波频率，此时进行低通滤波进一步分离，得到：

33、

34、

35、从而进一步还原原始随机01序列a1与b1；

36、对高斯相干态调制量子信号相干解调：对x与p分别乘以整理得：

37、

38、

39、其中，fc1为正交相移键控调制的载波频率，fc2为高斯相干态调制的载波频率，此时进行低通滤波进一步分离，得到：

40、

41、

42、从而进一步还原原始高斯分布序列a2与b2；

43、xq与xg，pq与pg形式相同，统称xq与xg为x0，统称pq与pg为p0，统称a1与a2为a，统称b1与b2为b。

44、优选地，所述信号相位漂移恢复包括：对于正交相移键控调制信号与高斯相干态调制信号，对(x0+ip0)分别乘以θ0是引入的自变量，改变变量θ0的值，并分别计算的实部与虚部与原始序列a与b的互相关函数值，当互相关函数值最大时的θ0值即为漂移相位θ，已知θ值后，此时通过联立方程与解得a与b，对于正交相移键控调制经典信号，将解命名为x1与p1，对于高斯相干态调制量子信号，将解命名为x2与p2。

45、优选地，所述信号平衡补偿包括：采用施密特正交化操作，即信号的平衡补偿，从而恢复x1与p1和x2与p2的正交性。

46、优选地，所述正交相移键控调制经典信号象限区分包括：根据接收到的正交相移键控调制经典信号的正则分量x1与p1绘制正交相移键控调制经典信号的星座图，依据星座图上点的位置区分其所在象限，进而对接收到的信号进行编码。

47、优选地，所述量子信号和经典信号参数评估包括：计算高斯相干态调制量子信号的电噪声、散粒噪声、过噪声与信噪比参数，以评估量子通信是否具有无条件安全性，通信质量是否达到标准；计算正交相移键控调制经典信号的误码率与信噪比参数，以评估经典通信质量是否达到标准。

48、根据本发明提供的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的实现经典信号和量子信号频分复用的方法的步骤。

49、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

50、(1)本发明提供了一种实现正交相移键控经典信号和高斯相干态量子信号的频分复用的系统和方法，利用相干态的正则分量既携带经典信息又携带量子信息，因而可通过单载波实现经典数据和量子密钥数据的同传；

51、(2)本发明提供的方法中的密钥分发安全性已被证明等效于连续变量量子密钥分发，同样具备无条件安全性，而经典信号的误码率也为0，该方法相较于传统波分复用方式提高了光谱利用效率；

52、(3)本发明在实际实现时仅需一套通信收发设备，可实现经典通信和连续变量量子密钥分发在系统层面的融合，显著降低连续变量量子密钥分发部署难度和开销。