專利名稱：連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其相位補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖量子通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其相位補償方法。
背景技術(shù)：
量子密碼學(xué)是基于經(jīng)典密碼體制和量子物理體制的新型密碼體制，這種密碼體制的安全性由量子自身的內(nèi)秉屬性所保證，具體來說，是由量子不可克隆定理和海森堡測不準原理保證了量子密碼具有無條件安全性和對竊聽的可檢測性，使得量子密碼具有良好的性能和前景。1969年，由S. Wiesner首先提出量子密碼思想，但并沒有受到人們的重視。1984 年，美國科學(xué)家C. H. Bennett和加拿大密碼學(xué)家G. . Brassard提出國際上第一個量子密鑰
分發(fā)協(xié)議-BB84協(xié)議,這個協(xié)議得到了廣泛的認可,不久由Bennett和Brassard采用微
弱激光脈沖作為量子信號發(fā)生器首次實現(xiàn)基于BB84協(xié)議的自由空間中的量子密鑰分發(fā)實驗。從此，進入了由經(jīng)典密碼體系進入量子密碼體系的時代，量子密碼學(xué)成為國際上普遍關(guān)注的課題之一，各國學(xué)者和科學(xué)家在理論和實驗上從不同的角度開展量子密碼研究，并且得到了各國政府的重視和鼎力支持。因此，量子密碼學(xué)發(fā)展迅速，內(nèi)容得到了極大的擴充，涉及了量子密鑰分發(fā)、量子密鑰驗證、量子數(shù)據(jù)加密、量子秘密共享、量子身份認證、量子簽名、量子比特承諾、量子不經(jīng)意傳輸、量子多方計算以及量子密碼的信息理論。量子密鑰分發(fā)可以分為尚散變量量子密鑰分發(fā)和連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)，BB84協(xié)議是基于離散變量的量子密鑰分發(fā)實驗，所以剛開始，國際上絕大多數(shù)的學(xué)者目光是對準的是離散變量量子密鑰分發(fā)的研究，并且得到了很多技術(shù)上的突破。但是連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)也有著自己的優(yōu)勢，因此，慢慢的人們目光開始轉(zhuǎn)移到連續(xù)變量量子密鑰上的研究。Ralph在1999年首先從實驗角度提出連續(xù)變量進行量子密鑰分發(fā)的概念并分析其安全性，從此開啟了連續(xù)變量量子密鑰分配的研究大幕，并且各種方案相繼被提出。例如基于壓縮態(tài)的量子密鑰分配方案；基于壓縮態(tài)的連續(xù)變量糾錯碼；全連續(xù)態(tài)的量子密鑰分配等等。2003年，F(xiàn). Grosshans提出了基于相干態(tài)高斯調(diào)制的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方案，該方案引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，因為這種方案實現(xiàn)比較容易，并且后來這個方案的安全性得到了嚴格的證明。在該方案中，量子態(tài)的檢測采用的是零差檢測，不需要單光子探測器。相比于壓縮光，相干光制備比較容易，所以該實驗方案的可重復(fù)性較高，也是目前各個研究機構(gòu)重視和采用最多的ー種方案。連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)作為量子密碼學(xué)的ー個核心的分支，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)從物理上是無條件安全的，經(jīng)典加密方法一次ー密也是絕對安全的，那么，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)后可以采用一次一密加密明文或者采用量子方法加密明文，這兩者都是絕對安全的。從這可以看出連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在量子密碼學(xué)中的重要地位。與傳統(tǒng)光纖通信中的相位補償相比較，在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，有著極大的不同，傳統(tǒng)光纖通信中所有的光源都是強光，無論是頻率，相位，時間調(diào)制等，環(huán)境對相位變化影響有限，主流是用鎖相環(huán)來消除環(huán)境帶來的相位擾動。但是連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，信號光的強度在量子級別上的非常小，非常容易收到環(huán)境因素和系統(tǒng)噪聲帯來的影響，產(chǎn)生非常大的隨即的相位漂移，而這是不能通過任何鎖相環(huán)來消除的，必須尋找另外的方法來實現(xiàn)。本發(fā)明的目的在于針對連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方案的空白，提出了一種全新的基于連續(xù)變量量子在光纖中特性的相位補償實現(xiàn)方案，是連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)實用化中ー個關(guān)鍵技術(shù)，克服了在光通信過程中連續(xù)變量量子受到環(huán)境的影響對相位的干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)存在容易受環(huán)境因素影響產(chǎn)生相位漂移的技術(shù)問題。本發(fā)明的另一目的在于提供ー種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，以解·決現(xiàn)有連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)存在的受環(huán)境因素影響產(chǎn)生相位漂移的技術(shù)問題。為達到上述目的，本發(fā)明的目的在于提供ー種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括發(fā)送端和接收端，發(fā)送端包括發(fā)送端光路部分和發(fā)送端控制器模塊，接收端包括接收端光路部分和接收端控制器模塊，其中，發(fā)送端光路部分包括依次連接的激光器、第一分束器、第一偏振控制器、幅度控制器、第一相位調(diào)制器、衰減器和耦合器，其中，分束器還與耦合器連接；激光器用以產(chǎn)生激光，激光出來后經(jīng)過第一分束器分成2束，I束信號光和I束本振光，一束信號光經(jīng)過偏振控制器、幅度控制器、相位控制器和衰減器，衰減后的信號光與另外I束本振光在耦合器相遇并耦合成I束激光發(fā)送至傳輸信道；發(fā)送端控制器模塊包括真隨機密鑰產(chǎn)生器、模擬電壓輸出控制電路和觸發(fā)時鐘電路，真隨機密鑰產(chǎn)生器用以產(chǎn)生真隨機密鑰，第一模擬電壓輸出控制電路分別與真隨機密鑰產(chǎn)生器、幅度調(diào)制器和第一相位調(diào)制器連接，用以將真隨機密鑰產(chǎn)生器產(chǎn)生的密鑰發(fā)送至幅度調(diào)制器和第一相位調(diào)制器，由幅度調(diào)制器和相位調(diào)制器將密鑰調(diào)制到激光脈沖上，并根據(jù)第一相位調(diào)制器的調(diào)節(jié)范圍，計算相位補償幀，隨機將相位補償幀發(fā)送至第一相位調(diào)制器，由第一相位調(diào)制器將相位補償幀調(diào)制到激光脈沖上，然后通過衰減器衰減到量子級別的光脈沖。；觸發(fā)時鐘電路與激光器連接，用以觸發(fā)激光器；接收端光路部分包括偏振動態(tài)控制器、偏振分束器、第二相位調(diào)節(jié)器、第二偏振控制器、第二分束器和相干檢測器，偏振動態(tài)控制器用以消除信號光和本振光在光纖中傳輸后受到環(huán)境的干擾而產(chǎn)生的偏振漂移，偏振分束器將消除偏振漂移的激光脈沖分成2束，I束經(jīng)過第二相位調(diào)制器和第二偏振控制器進行失真補償，然后與另I束一起進入第二分束器后分為兩束分別進入相干檢測器進行相干檢測，相干檢測器通過本振光和信號光的干渉作用，把量子級別的信號光的值檢測出來；接收端控制器模塊包括模擬電壓輸入控制電路和第二模擬電壓輸出控制電路，模擬電壓輸入控制電路與相干檢測器相連接，用于接收相干檢測后的電信號；第ニ模擬電壓輸出控制電路與第二相位調(diào)制器相連接，通過提取相位補償幀然后計算得出需要補償?shù)碾妷?，然后輸出這個電壓值到第二相位調(diào)制器進行相位補償。為達到上述目的，本發(fā)明還提供ー種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，包括以下步驟(I)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)發(fā)送端依據(jù)相位調(diào)制器的調(diào)節(jié)范圍，確定發(fā)送相位補償幀；(2)根據(jù)系統(tǒng)所處的環(huán)境，確定相位補償幀的插入信號中的頻率A的取值；(3)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)發(fā)送端發(fā)送ー個相位補償幀，且接(A-I)個信號幀；(4)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)接收端從相干檢測器輸出信號中采樣，并且提取 出相位補償幀；(5)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)接收端通過提取出的相位補償幀，根據(jù)相位補償幀的結(jié)構(gòu)計算需要補償?shù)碾妷褐担?6)接收端計算出補償電壓值后，通過控制接收端的第二相位調(diào)制器把補償電壓值補償?shù)?A-I)個密鑰幀相位上去，實現(xiàn)消去環(huán)境和系統(tǒng)噪聲；(7)接收端接收到補償后的(A-I)個密鑰幀，并儲存至原始密鑰文件中；(8)接收端接收到下一個相位補償幀，并提取出相位補償幀，重復(fù)步驟(5)至步驟
(7)的操作；(9)發(fā)送端已完成密鑰的分發(fā)，發(fā)送中斷傳輸信號，接收端接收到中斷傳輸信號后，停止接收，密鑰分發(fā)完成。依照本發(fā)明較佳實施例所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，步驟(I)中，相位補償巾貞的最佳效果確定為設(shè)第一相位控制器的調(diào)制范圍為_' +￥:,取N個點作為ー幀，N個點設(shè)計為從-V1到+V1的等差數(shù)組，相鄰2個點的差值為(2Vノ (N-I))，則相位補償幀為(-V1, -V1+ (2V(N-I))，々2* (2Vノ(N_l))， ......，(2Vノ(N—1))，
+V1X依照本發(fā)明較佳實施例所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，步驟
(I)中，相位補償幀的最簡單結(jié)構(gòu)確定為設(shè)第一相位控制器的調(diào)制范圍為-Vi +Vi，取N個點作為ー幀，N個點設(shè)計為固定一個電壓值V2，則相位補償幀為(V2, V2, V2, ......，V2)。依照本發(fā)明較佳實施例所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，發(fā)送端相位補償幀是按照間隔為A的取值循環(huán)插入到密鑰分發(fā)中，相位補償幀的插入重復(fù)頻率為A，即發(fā)送端發(fā)送了(A-I)個幀的明文后，緊接著發(fā)送I幀相位補償幀，相應(yīng)的，引入相位補償幀帶來的通信額外開銷為(1/A)。依照本發(fā)明較佳實施例所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，上述的N和A的取值選定根據(jù)環(huán)境條件和系統(tǒng)時鐘頻率來確定，若環(huán)境引起的相位抖動范圍為
10^1000之間，系統(tǒng)時鐘頻率為B (MHz)，則N和A的取值必須符合βχ]° > 1000 ....
NxA依照本發(fā)明較佳實施例所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，接收端檢測到相位補償幀后，根據(jù)相位補償幀的最佳效果結(jié)構(gòu)計算需要補償?shù)碾妷褐担唧w計算公式為
「 NlXilXVl) τ,ψ= ---F1
N.其中，N1是計算出正弦曲線平移后最大值所在的數(shù)組位置；依照本發(fā)明較佳實施例所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，接收端檢測到相位補償幀后，根據(jù)相位補償幀的最簡單結(jié)構(gòu)計算需要補償?shù)碾妷褐?，具體計算公式為
V, - V ψ = 360 X く -;
IxVl其中，V3是相位抖動值附加到整個幀內(nèi)所引起的變化后的固定值。依照本發(fā)明較佳實施例所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，步驟
(6)中的(A-I)個密鑰幀是緊接著上一個相位補償幀的。依照本發(fā)明較佳實施例所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，中斷傳輸信號為一段全零數(shù)據(jù)幀。由于量子信號容易受到環(huán)境因素的影響，產(chǎn)生不規(guī)則的擾動，并且幅度很大，這是傳統(tǒng)通信上不存在的現(xiàn)象，所以傳統(tǒng)意義上的相位補償方法都不能適用于量子密鑰分發(fā)，本發(fā)明通過引入額外開銷實現(xiàn)連續(xù)變量密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償。由以上可以看出，本發(fā)明提供的基于連續(xù)變量量子在光纖中特性的相位補償方案，通過引入相位補償幀克服在光通信過程中連續(xù)變量量子受到環(huán)境的影響對相位的干擾，有效降低了誤碼率，提高了通信質(zhì)量，通信可靠性高。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有誤碼率低、通信可靠的優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2為本發(fā)明實施例的相位補償幀的最優(yōu)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例的相位補償幀的最簡單結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明。請參閱圖I，ー種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括發(fā)送端和接收端，發(fā)送端包括發(fā)送端光路部分和發(fā)送端控制器模塊，接收端包括接收端光路部分和接收端控制器模塊，其中，發(fā)送端光路部分包括依次連接的激光器、第一分束器、第一偏振控制器、幅度控制器、第一相位調(diào)制器、衰減器和耦合器，其中，分束器還與耦合器連接；激光器用以產(chǎn)生激光，激光出來后經(jīng)過第一分束器分成2束，I束信號光和I束本振光，一束信號光經(jīng)過偏振控制器、幅度控制器、相位控制器和衰減器，衰減后的信號光與另外I束本振光在耦合器相遇并耦合成I束激光發(fā)送至傳輸信道；發(fā)送端控制器模塊包括真隨機密鑰產(chǎn)生器、模擬電壓輸出控制電路和觸發(fā)時鐘電路，真隨機密鑰產(chǎn)生器用以產(chǎn)生真隨機密鑰，第一模擬電壓輸出控制電路分別與真隨機密鑰產(chǎn)生器、幅度調(diào)制器和第一相位調(diào)制器連接，用以將真隨機密鑰產(chǎn)生器產(chǎn)生的密鑰發(fā)送至幅度調(diào)制器和第一相位調(diào)制器，由幅度調(diào)制器和相位調(diào)制器將密鑰調(diào)制到激光脈沖上，并根據(jù)第一相位調(diào)制器的調(diào)節(jié)范圍，計算相位補償幀，隨機將相位補償幀發(fā)送至第一相位調(diào)制器，由第一相位調(diào)制器將相位補償幀調(diào)制到激光脈沖上，然后通過衰減器衰減到量子級別的光脈沖。；觸發(fā)時鐘電路與激光器連接，用以觸發(fā)激光器；接收端光路部分包括偏振動態(tài)控制器、偏振分束器、第二相位調(diào)節(jié)器、第二偏振控制器、第二分束器和相干檢測器，偏振動態(tài)控制器用以消除信號光和本振光在光纖中傳輸后受到環(huán)境的干擾而產(chǎn)生的偏振漂移，偏振分束器將消除偏振漂移的激光脈沖分成2束，I束經(jīng)過第二相位調(diào)制器和第二偏振控制器進行失真補償，然后與另I束一起進入第二分束器后分為兩束分別進入相干檢測器進行相干檢測，相干檢測器通過本振光和信號光的 干渉作用，把量子級別的信號光的值檢測出來；接收端控制器模塊包括模擬電壓輸入控制電路和第二模擬電壓輸出控制電路，模擬電壓輸入控制電路與相干檢測器相連接，用于接收相干檢測后的電信號；第ニ模擬電壓輸出控制電路與第二相位調(diào)制器相連接，通過提取相位補償幀然后計算得出需要補償?shù)碾妷海缓筝敵鲞@個電壓值到第二相位調(diào)制器進行相位補償。本實施例系統(tǒng)將從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光脈沖大幅度衰減產(chǎn)生的準單光子作為信息載體——激光光源屬相干光源，其光子數(shù)分布滿足泊松分布，將脈沖激光衰減到平均每個脈沖O. I個光子時，每個脈沖含I個以上光子的概率僅為O. 5%，此時的光脈沖表現(xiàn)出不可克隆等量子屬性，本發(fā)明把這種由激光器和衰減器構(gòu)成的準單光子源作為量子信號發(fā)生器。激光器的輸出頻率由觸發(fā)時鐘頻率決定，若連續(xù)變量密鑰發(fā)送端分發(fā)速率為R1 (bit/s)，那么為了使得I個光脈沖調(diào)制I個信息，觸發(fā)時鐘頻率則為R1(Hz)15光脈沖通過1/99分束器，I的那路是信號光，通過偏振控制器使得與99本振光偏振相差90度，然后密鑰通過幅度調(diào)制器或者是相位調(diào)制器調(diào)制到信號光脈沖上，為了把密鑰信息調(diào)制準確調(diào)制到光脈沖上，那么2路模擬電壓輸出頻率也為R1 (Hz)。調(diào)制好后通過耦合器耦合本振光輸出到信道上。經(jīng)過信道后，偏振動態(tài)控制器的作用是消除信道噪聲對光脈沖的偏振影響，通過偏振分束器后，把信號光與本振光分開，信號光通過相位控制器來選擇測量的分量，在經(jīng)過偏振控制器的微調(diào)，使得相干檢測器的輸出為調(diào)制輸入信號。檢測輸出的弱光脈沖的頻率為R1 (Hz)，為了能更準備得到調(diào)制信息，接收端控制器的A/D采樣速率選取IOOR1 (bit/sノ。為達到上述目的，本發(fā)明還提供ー種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，包括以下步驟(I)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)發(fā)送端依據(jù)相位調(diào)制器的調(diào)節(jié)范圍，確定發(fā)送相位補償幀。發(fā)送端中分發(fā)密鑰端調(diào)制器件調(diào)制范圍-V1 +V1,設(shè)計相位補償幀來進行相位補償，消除環(huán)境和系統(tǒng)噪聲等造成的相位擾動。相位補償幀的結(jié)構(gòu)可以多種多祥，本發(fā)明提供2種結(jié)構(gòu)，一種是最佳結(jié)構(gòu)，效果最好；另ー種是最簡單結(jié)構(gòu)，最容易實現(xiàn)。如圖2所示,最佳相位補償巾貞結(jié)構(gòu)為取N個點作為ー巾貞，N個點設(shè)計為從-Vi到+V1的等差數(shù)組，相鄰2個點的差值為(2Vノ(N-I))，即相位補償幀(-V1, -V1+ (2V/(N-I) )，_V2* (2V(N-I))，……，-ν!+(Ν-2)* (2Vノ(N_l) )，+V1X 這樣設(shè)置的相位補償幀調(diào)制到相位控制器上，輸出的信號是正弦波形，容易計算出環(huán)境和系統(tǒng)引入的噪聲值。如圖3所示，最簡單的相位補償幀結(jié)構(gòu)為取N個點作為ー幀，N個點設(shè)計為固定
一個電壓值V2，即相位補償幀(V2，V2，V2，......，V2)。采用最簡單的相位補償幀結(jié)構(gòu)也可以
實現(xiàn)相位補償?shù)哪康?，不過可視性和容錯率上不如最佳結(jié)構(gòu)的相位補償幀。(2)根據(jù)系統(tǒng)所處的環(huán)境，確定相位補償幀的插入信號中的頻率A的取值。發(fā)送端相位補償幀是按照間隔為A的取值循環(huán)插入到密鑰分發(fā)中，相位補償幀的插入重復(fù)頻率為A，即發(fā)送端發(fā)送了(A-I)個幀的明文后，緊接著發(fā)送I幀相位補償幀，相應(yīng)的，引入相位補償幀帶來的通信額外開銷為(1/A)。 具體的N和A的取值選定根據(jù)環(huán)境條件和系統(tǒng)時鐘頻率來確定，若環(huán)境引起
的相位抖動范圍為1(Γ1000之間，系統(tǒng)時鐘頻率為B(MHz)，則N和A的取值必須符合
Λ X10"
->1000。
NxA(3)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)發(fā)送端發(fā)送ー個相位補償幀，且接(A-I)個信號幀。(4)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)接收端從相干檢測器輸出信號中采樣，并且提取出相位補償幀。(5)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)接收端通過提取出的相位補償幀，根據(jù)相位補償幀的結(jié)構(gòu)計算需要補償?shù)碾妷褐?。接收端檢測到相位補償幀后，根據(jù)相位補償幀的結(jié)構(gòu)計算需要補償?shù)碾妷褐担绻x取的最佳相位補償幀的結(jié)構(gòu)，那么具體計算公式為
Γ N1X(IxV1) τ/ψ =」-----F1其中，N1是計算出正弦曲線平移后最大值所在的數(shù)組位置；如果選取的最簡單的相位補償幀的結(jié)構(gòu)，則具體計算公式為
V - V；r = 360 X へ’ -;
ZXr1其中，V3是相位抖動值附加到整個幀內(nèi)所引起的變化后的固定值。(6)接收端計算出補償電壓值后，通過控制接收端的第二相位調(diào)制器把補償電壓值補償?shù)?A-I)個密鑰幀相位上去，實現(xiàn)消去環(huán)境和系統(tǒng)噪聲。其中，的(A-I)個密鑰幀是緊接著上一個相位補償幀的。(7)接收端接收到補償后的(A-I)個密鑰幀，并儲存至原始密鑰文件中；(8)接收端接收到下一個相位補償幀，并提取出相位補償幀，重復(fù)步驟(5)至步驟
(7)的操作；(9)發(fā)送端已完成密鑰的分發(fā)，發(fā)送中斷傳輸信號，接收端接收到中斷傳輸信號后，停止接收，密鑰分發(fā)完成。具體的，中斷傳輸信號為一段全零數(shù)據(jù)幀。除以上外，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)開始前，必須進行端與端的同步，同步完后，則進入系統(tǒng)初始化階段，確定相位補償幀的結(jié)構(gòu)，然后開始通信。本實施例額外的幀開銷來實現(xiàn)相位補償，也就是弓I入相位補償幀來消除環(huán)境引入的噪聲。
相位補償?shù)木唧w步驟如下連續(xù)變量量子密鑰發(fā)送端密鑰隨機的通過幅度調(diào)制器和第一相位調(diào)制器調(diào)制到量子光信號載體上，相位補償幀通過第一相位調(diào)制器調(diào)制到信號光載體上。發(fā)送端發(fā)送順序為先把I個相位補償幀通過第一相位調(diào)制器調(diào)制到信號光載體上，然后(A-1)個密鑰幀通過幅度調(diào)制器或者第一相位調(diào)制器調(diào)制到光子載體上，選擇幅度或者第一相位調(diào)制器是完全隨機的。發(fā)送端就這樣循環(huán)發(fā)送相位補償幀和密鑰，直到密鑰分發(fā)結(jié)束的時候。連續(xù)變量量子密鑰接受端，提取出相位補償幀，然后通過與相位補償幀相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)選擇相位補償?shù)挠嬎愎?，計算出?yīng)該補償?shù)南辔浑妷褐?。然后把這個相位電壓值通過接受端的第二相位調(diào)制器加到接受的信號上，實現(xiàn)相位補償。每當提取出ー個相位補償幀，計算得到當前的相位擾動值，在加到后面的(A-I)密鑰信息上，實現(xiàn)實時的自發(fā)相位補償。相干光脈沖衰減到了量子級特別容易受到環(huán)境的影響，造成強烈的相位擾動，這些影響使得誤碼率大大的増加。本發(fā)明上述的相位補償方案，是完全 能克服上面這些環(huán)境的影響，才能進行有效的量子密鑰分發(fā)。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.ー種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，包括發(fā)送端和接收端，所述發(fā)送端包括發(fā)送端光路部分和發(fā)送端控制器模塊，所述接收端包括接收端光路部分和接收端控制器模塊，其特征在干， 所述發(fā)送端光路部分包括依次連接的激光器、第一分束器、第一偏振控制器、幅度控制器、第一相位調(diào)制器、衰減器和耦合器，其中，所述分束器還與所述耦合器連接；所述激光器用以產(chǎn)生激光，激光出來后經(jīng)過第一分束器分成2束，I束信號光和I束本振光，一束信號光經(jīng)過偏振控制器、幅度控制器、相位控制器和衰減器，衰減后的信號光與另外I束本振光在耦合器相遇并耦合成I束激光發(fā)送至傳輸信道； 所述發(fā)送端控制器模塊包括真隨機密鑰產(chǎn)生器、模擬電壓輸出控制電路和觸發(fā)時鐘電路，所述真隨機密鑰產(chǎn)生器用以產(chǎn)生真隨機密鑰，所述第一模擬電壓輸出控制電路分別與所述真隨機密鑰產(chǎn)生器、幅度調(diào)制器和第一相位調(diào)制器連接，用以將所述真隨機密鑰產(chǎn)生器產(chǎn)生的密鑰發(fā)送至所述幅度調(diào)制器和第一相位調(diào)制器，由幅度調(diào)制器和相位調(diào)制器將密鑰調(diào)制到激光脈沖上，井根據(jù)所述第一相位調(diào)制器的調(diào)節(jié)范圍，計算相位補償幀，隨機將相位補償幀發(fā)送至所述第一相位調(diào)制器，由所述第一相位調(diào)制器將所述相位補償幀調(diào)制到激光脈沖上，然后通過衰減器衰減到量子級別的光脈沖。； 所述觸發(fā)時鐘電路與所述激光器連接，用以觸發(fā)所述激光器； 所述接收端光路部分包括偏振動態(tài)控制器、偏振分束器、第二相位調(diào)節(jié)器、第二偏振控制器、第二分束器和相干檢測器，所述偏振動態(tài)控制器用以消除信號光和本振光在光纖中傳輸后受到環(huán)境的干擾而產(chǎn)生的偏振漂移，偏振分束器將消除偏振漂移的激光脈沖分成2束，I束經(jīng)過第二相位調(diào)制器和第二偏振控制器進行失真補償，然后與另I束一起進入第二分束器后分為兩束分別進入相干檢測器進行相干檢測，所述相干檢測器通過本振光和信號光的干渉作用，把量子級別的信號光的值檢測出來； 所述接收端控制器模塊包括模擬電壓輸入控制電路和第二模擬電壓輸出控制電路，所述模擬電壓輸入控制電路與相干檢測器相連接，用于接收相干檢測后的電信號；所述第ニ模擬電壓輸出控制電路與第二相位調(diào)制器相連接，通過提取相位補償幀然后計算得出需要補償?shù)碾妷?，然后輸出這個電壓值到第二相位調(diào)制器進行相位補償。
2.ー種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)發(fā)送端依據(jù)相位調(diào)制器的調(diào)節(jié)范圍，確定發(fā)送相位補償幀； (2)根據(jù)系統(tǒng)所處的環(huán)境，確定相位補償幀的插入信號中的頻率A的取值； (3)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)發(fā)送端發(fā)送ー個相位補償幀，且接(A-I)個信號幀； (4)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)接收端從相干檢測器輸出信號中采樣，并且提取出相位補償幀； (5)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)接收端通過提取出的相位補償幀，根據(jù)相位補償幀的結(jié)構(gòu)計算需要補償?shù)碾妷褐担? (6)接收端計算出補償電壓值后，通過控制接收端的第二相位調(diào)制器把補償電壓值補償?shù)?A-I)個密鑰幀相位上去，實現(xiàn)消去環(huán)境和系統(tǒng)噪聲； (7)接收端接收到補償后的(A-I)個密鑰幀，并儲存至原始密鑰文件中； (8)接收端接收到下一個相位補償幀，并提取出相位補償幀，重復(fù)步驟(5)至步驟(7)的操作； (9)發(fā)送端已完成密鑰的分發(fā)，發(fā)送中斷傳輸信號，接收端接收到中斷傳輸信號后，停止接收，密鑰分發(fā)完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在干，步驟(I)中，相位補償幀的最佳效果確定為設(shè)所述第一相位控制器的調(diào)制范圍為_' +V1，取N個點作為ー幀，N個點設(shè)計為從-V1到+V1的等差數(shù)組，相鄰2個點的差值為(2V/(N-I))，則相位補償幀為 (-V1, -V1+ (2Vノ(N-I) )，-Vi+2* (2Vノ(N-1))，......，-V^(Nj)*),+N,)0
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在干，步驟(I)中，相位補償幀的最簡單結(jié)構(gòu)確定為設(shè)所述第一相位控制器的調(diào)制范圍為-Vi +V1，取N個點作為ー巾貞，N個點設(shè)計為固定ー個電壓值V2，則相位補償幀為(V2, V2, V2,……，V2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償方法，其特征在干，所述發(fā)送端相位補償幀是按照間隔為A的取值循環(huán)插入到密鑰分發(fā)中，相位補償幀的插入重復(fù)頻率為A，即發(fā)送端發(fā)送了(A-I)個幀的明文后，緊接著發(fā)送I幀相位補償幀，相應(yīng)的，弓丨入相位補償幀帶來的通信額外開銷為(1/A)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、4、5所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補償實現(xiàn)方法，其特征在于，所述N和A的取值選定根據(jù)環(huán)境條件和系統(tǒng)時鐘頻率來確定，若環(huán)境引起的相位抖動范圍為1(Γ1000之間，系統(tǒng)時鐘頻率為B(MHz),則N和A的取值必須符合:
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位實現(xiàn)方法，其特征在干，接收端檢測到相位補償幀后，根據(jù)相位補償幀的結(jié)構(gòu)計算需要補償?shù)碾妷褐?，具體計算公式為
8.如權(quán)利要求4所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位實現(xiàn)方法，其特征在于，接收端檢測到相位補償幀后，根據(jù)相位補償幀的結(jié)構(gòu)計算需要補償?shù)碾妷褐?，具體計算公式為
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位實現(xiàn)方法，其特征在干，步驟(6)中所述的(A-I)個密鑰幀是緊接著上一個相位補償幀的。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位實現(xiàn)方法，其特征在于，所述中斷傳輸信號為一段全零數(shù)據(jù)幀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其相位補償方法，該方法包括以下步驟發(fā)送端確定發(fā)送相位補償幀及相位補償幀的插入信號中的頻率A的取值；發(fā)送端發(fā)送一個相位補償幀，且接(A-1)個信號幀；接收端從相干檢測器輸出信號中采樣，提取出相位補償幀；根據(jù)相位補償幀計算需要補償?shù)碾妷褐?，通過第二相位調(diào)制器把補償電壓值補償?shù)?A-1)個密鑰幀相位上去，實現(xiàn)消去環(huán)境和系統(tǒng)噪聲，并將補償后的(A-1)個密鑰幀儲存至原始密鑰文件中；接收端接收到下一個相位補償幀，并提取出相位補償幀，重復(fù)上述操作；發(fā)送端發(fā)送中斷傳輸信號，接收端接收到中斷傳輸信號后，停止接收，密鑰分發(fā)完成。本發(fā)明具有誤碼率低、通信可靠的優(yōu)點。
文檔編號H04L9/08GK102868520SQ20121031063
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者申澤源, 肖俊俊, 代文超, 何廣強, 曾貴華 申請人:上海交通大學(xué)