一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法技术

本发明专利技术公开一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，所述分发方法包括在发送端内，信号光场经过第一振幅调制器和第一信号调整装置后与参考光场传输至光纤合束器，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第一振幅调制器上；在接收端内，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传输至测量装置；通过第二数据处理装置产生反馈电压、第二调制电压，并加载在相位调制器上，对信号光场和参考光场的相对相位锁定。通过设置一对振幅调制器和相位调制器就能够完成信号振幅的调制与相位的锁定，可简化装置结构，降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法
本专利技术涉及量子保密通信
，特别是涉及一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法。
技术介绍
量子密钥分发是实现量子保密通信的一种方式，该通信方式可确保信息在传输过程中不被第三方窃听，其安全特性基于量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理。量子密钥分发目前主要可分为连续变量和离散变量两个方向。连续变量量子密钥分发具有与经典光通信技术兼容性较好的特点，随着科技人员的不懈努力，近十几年发展十分迅速，目前也已进入商业化领域。为了促进量子密钥分发的广泛应用，对相关技术进行简化是目前的主要趋势之一。技术的简化在保证不降低通信安全性的前提下，能够降低系统成本、减小装置的体积、降低数据处理的复杂度和数据处理量，可有效地增强系统的实用性。在连续变量领域，目前理论上已有相关的简化方案的提出，如一维调制方案。主要包括非高斯调制的二态调制方案―Phys.Rev.A79,012307,2009”以及高斯调制的一维高斯调制方案―Phys.Rev.A92,062337,2015”。一维方案在保证系统安全性的同时，简化了数据的调制方式。通常的二维量子密钥分发中，实现的是X和Y具有相同的分布(简称对称分布)，发送端的信号光路中需要振幅调制器(AM)和相位调制器(PM)两个调制器，接收端的参考光路中需要一个相位调制器。在连续变量量子密钥分发方案中，已有原理性实验通过单个相位调制器实现了一维高斯调制分布，见文献―Quant.Inf.Comput.16,1081–1095,2016”。然而在实用性更强的脉冲光系列的连续变量量子密钥分发实验中，按照之前的两维对称调制方法，在发送端只有一个调制器的情况下，无法实现一维方案所述的一维高斯分布，也无法对量子态传输过程中的相对相位进行锁定，详细说明如下。两维调制方案中，基于MZ干涉原理的振幅调制器用于实现光场量子态在相空间中的径向χ2(2)分布，该径向分布的一个端点是相空间中的原点，另一个端点取决于光场量子态的最大强度，如图3所示的R线段或-R线段；相位调制器用于调制相角θ。图3给出了一维高斯调制下相空间中正交分量的分布状况，图3中(a)部分是相位锁定在θ时的情况；(b)部分是相位锁定后分布于正交振幅的情况，对应与θ＝0o；(c)部分是相位锁定后分布于正交相位的情况,对应与θ＝90o。按照上述调制方法，如果要实现一维高斯分布，发送端需要同时具有振幅调制器和相位调制器，单个相位调制器无法实现光场量子态的径向分布，单个振幅调制器无法实现光场量子态在R和-R间的切换，即无法实现θ+0,θ+π的相位调制，两器件联合调制才可将一系列的相干态调制成图3所示的一维高斯分布状态。为了完成脉冲光系列的连续变量量子密钥分发中相对相位的锁定，两端需各具有一个相位调制器，且部分脉冲用于相对相位的锁定。通常将这部分脉冲称之为测试脉冲，另一部分用于传输信息的脉冲称为数字脉冲。在发送端的振幅调制器和相位调制器将用于锁定相位的测试脉冲分别均匀地调制在ψ1，ψ2，ψ3三种状态，如图5所示，θ为信号光场相对于参考光场的相位。相空间中三种量子态的振幅的模均为A，彼此间相位相差2π/3。接收端利用测试脉冲的正交振幅值计算出当前的相对相位，计算过程见公式(1)和公式(2)所示。为了克服量子噪声的影响并获得精确的计算结果，需多次测量各量子态的正交振幅并求平均值。计算出相对相位后，采用补偿的方法对当前的相对相位进行锁定，即在接收端参考光路的相位调制器上施加反馈电压从而将信号光的相位锁定在δ处，当δ＝0时，相对相位为0，δ＝π/2时，相对相位为π/2。以相对相位锁在0相位为例，此时计算出的相位值与反馈电压值的关系为：经分析后补偿算法为数字PID反馈算法中的比例项，没有积分和微分项，因此该项无法消除锁定中的稳态误差。因此，在脉冲光系列的连续变量量子密钥分发实验中，无法通过单个调制器实现光场量子态在相空间中的一维高斯分布，而调制电压只在[-Vπ,0]或[0,Vπ]区间变化，改变调制电压的大小只改变输出光场的振幅，无法改变相位，即光场量子态只能在图4中的R或-R线段移动，无法进行相对相位的锁定，也无法消除锁定项中的稳态误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，可简化装置结构，并实现相对相位的锁定。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种实现一维调制连续变量量子密钥分发方法，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。可选的，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：满足如下条件：在±3σ处进行截断，将公式(2)变换为：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，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，Vmax表示最大通光电压。可选的，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。可选的，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。可选的，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。可选的，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。可选的，根据以下公式确定反馈电压Vf(k)：其中，i，k用于标记数据块，Kp表示比例系数，KI表示积分系数，K本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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：满足如下条件：在±3σ处进行截断，将公式(2)变换为：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，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，Vmax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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭阳，李永民，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西,14